Предмет и задачи инженерной геологии

 

Состав и  строение грунтов

В грунтах  изучают все их компоненты—твердые, жидкие, газообразные.

 

 

Минеральная и органическая части грунтов.

 

твердую компоненту грунта, подразделяют на 5 групп:

 

Исходя из преобладающих        

-типов связи между атомами;

-физико-химич. и физико-механич. свойств

 

1) минералы класса первичных   силикатов;

2) простые соли (галоиды,сульфаты, карбонаты);

3) глинистые минералы;

4) органическое вещество и   органо-минеральн. комплексы.;

5) лед.

 

Горные породы (ГП) обладают структурой и связями между минералами, их  обломками или агрегатами.

 

Структурные связи формируются при образовании ГП, ее развитии и зависят от ее генетического типа.

 

Связи могут быть:

-жесткими химическими,  --200 -1200 кДж/моль --- которые имеют такую же природу, как внутрикристаллические связи, (граниты, песчаники, мраморы).

-водно-коллоидными, ---0,4-12 кдж/моль.  Их прочность определяется молекулярными, капиллярными силами и др. (глины,суглинки).

 

пески, галечники, практически не обладают связностью

Структура – размер, форма элементов и способ их расположения в пространстве.

Элемент структуры – кристаллический обломок или агрегат кристаллов.

Для магматических ГП характерны структуры полнокристаллические, порфировые, скрытокристаллические. Их прочность зависит от прочности минералов.

Для метаморфических ГП типичны полнокристаллич. St, часто_анизотропные, трещиноватые. Прочность метаморфических ГП определяется минералами и распределением слабых связей в пространстве.

Осадочные сцементированные обладают размерами и формой обломков первичных пород. В их прочности важна характеристика цемента:

-его состав

-строение

-взаимодействие с элементами  структуры.

Структуры обломочных несцементированных горных пород

разнообразны благодаря пестроте размеров, форм и пространственному положению элементов.

Структуры глинистых ГП бывают:      ---ячеистые ---скелетные--- матричные.

Теория контактных взаимодействий.  ПА Ребиндер, Маргулис, Щукин 1964

Контакты в ГП – это места максимального сближения частиц.

-Частицы  взаимодействуют лишь по контактам.

- Контакты  воспринимают напряжение от нагрузки  и могут разрушаться. 

-Т.О. сопротивл. грунта разрушению определяется прочностью контактных связей и количеством контактов в единице объема структуры.

Теория  П.А. Ребиндера применяется материаловедами. Она же позволяет оценить свойства рыхлых однородных грунтов.

 

 Виды воды в грунтах.

Вода в грунтах может находиться в трех агрегатных состояниях:

I. Связанная вода:

 

II. Вода переходного состояния: капиллярная вода

-В песчаных грунтах, высота  подъема воды (0,3—0,6 м);

-в суглинках она достигает  1,2—1,6 м и 

-в глинах — 3—4 м-

Поднятию воды препятств. сила тяжести.

 

III. Свободная вода (в жидком состоянии):

1) в замкнутых порах;      2) текучая.   3) Пар.

 

 

Основные  свойства грунтов.

 

 Грунты испытывают многоплановое  воздействие от зданий, например 

-изменение T^o,

-увлажнение и осушение,

-давление, вибрацию и др.

 

При ИГ-изысканиях исследуют широкий  спектр свойств    грунтов.

 

 физико-химические  свойства проявляют грунты под действием    воды и других растворов за счет изменений в своем составе и структуре:

-растворимость, 

-набухание, 

-липкость и т. д.

 

физико-механические свойства  грунты проявляют сопротивляясь давлению (нагрузкам), например сжимаемость, прочность.  

 

Ряд грунтов обладает специфическими свойствами.

 

Но есть общие свойства, характерные  для всех грунтов.

К важнейшим из них относятся    

-влажность

-плотность,

-состояние 

-деформируемость и

-прочность грунтов.

 

Рассмотрим их подробнее

-----Физические  свойства

Все количество воды, которое  содержится в грунте в его природном  залегании, называют естественной влажностью.

 

 

We – весовая влажность - отношение массы воды к массе сухого грунта, в порах которого она находилась. Определяется путем высушивания грунта и измеряется ; в долях -единицы или процентах.

 

Плотность — это масса единицы объема грунта  с естественной влажностью и природным (ненарушенным) сложением.

Обозначается плотность грунта греческой буквой  r ,

Плотность грунта, зависит от его

-минерального состава, 

-влажности и 

-пористости .

 

Пористость,—это суммарный объем всех пор в единице объема грунта.

Пористость вычисляют по формуле

где n— пористость породы в долях единицы; Vп — объем пор; V — объем породы.Пористость часто выражается в %.

коэффициент пористости (е) — выражается только в долях единицы  и отражает отношение объема пор  к общему объему всех минеральных  зерен и органических веществ (Vs):

Между пористостью и коэффициентом  пористости существует   связь:

е=n/(1—n)   или    n=е/(1+е).

 

Плотность минеральных частиц (твердого компонента) грунта—r; (масса единицы объема минеральных частиц),

 

плотность плотность сухого грунта -r_d- масса твердого компонента в единице объема грунта при естественной (ненарушенной) структуре в отсутствие воды.

Плотность грунта и его минеральных  частиц определяется экспериментально, а плотность сухого грунта обычно вычисляется по формуле

r_d=r/(1 + w),      e = (r_s/r_d-)           n=(1-r_d/r_s)

 

Деформируемасть.

 

Грунты, как и любые тела,  сжимаются под давлением, т. е. изменяют свою форму. Деформации могут быть упругими, т. е. обратимыми, и остаточными- необратимыми

 

Обратимые деформации имеют небольшую величину и происходят почти мгновенно.  В нескальных грунтах преобладают необратимые деформации.

 

Важнейшими  показателями деформационных, свойств являются модуль упругости  Еу, или модуль общей деформации Е_общ., а также

Общая относительная линейная деформация:      e_общ  =  e_обр + e_ост     (ост— необратимая деформация). Эти показатели определяются по следующим зависимостям (закон Гука):

     s = Eо*e_{общ ,} где

s—нормальное напряжение, не превышающее предел упругости, т.е. не приводящая к нарушению целостности грунта.

 

Физический смысл Ео  -напряжение при относительной деформации = 1.

Е₀: Сталь150000, стекло–70 000 бетон-14000 сосна-9000 грунт10-100 МПа

В практике модуль общей деформации применяется при расчете осадок оснований и сооружений.

 

Модуль общей деформации зависит от : St грунтов, от их вещественного состава, Wе и др.

 

 

При вертикальном давлении кроме нормальных напряжений, возникают и касательные. Достигая определенной  величины  они преодолевают структурные связи между частицами и сдвигают их относительно друг друга. Грунт разрушается.

 

Появление зон разрушения на склоне или откосе выемки может вызвать  оползень, обрушение.

 

Во всех грунтах в зоне сдвига  возникает трение между частицами,

которое описывают коэффициентом трения (f),при данном вертикальном

давлении:          f=tg f, где f—угол внутр. трения.

 

В связных грунтах сопротивление  сдвигу оказывают структурные связи,

Они преодолеваются силой, равной силе сцепления между частицами. Обозначают эту силу сцепления «С» и измеряют в МПа,

f- угол внутреннего трения и

С –удельное сцепление являются показателями прочности грунта.

 

Эти параметры определяют на специальных (сдвиговых) приборах в лаборатории  или на соответствующих установках в полевых условиях.

 

От правильности их определения  зависит 

• устойчивость сооружений,
• устойчивость массивов грунта (…в откосах) и
• давления грунтов на ограждения и подземные сооружения.

 

Взаимосвязь показателей прочности  описывается законом Кулона:

t_пред.= s_н * tgf + С где t_{пред       -} предельное сопр. сдвигу,МПа;

s_н- нормальное давление,МПа.

 

Условия деформации образцов должны строго соответствовать условиям работы грунта  под сооружением!

--------------   --------------   -----------

 

Пластичность — способность гл. грунта деформироваться под действием внешнего давления без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после снятия деформирующего усилия.

 

Это свойство проявляет глин. грунт нарушенной St — в определенном интервале влажности.

 

Альберт Аттерберг(Швеция) предложил:

Влажность, при которой грунт  переходит из твердого состояния  в пластичное, называют W нижн. Пред. Пластичн.- Wр.

    Повышение влажности  усиливает пластичные свойства, и при  влажности на пределе текучести W_L, грунт переходит в текучее состояние.

 

Разницу (интервал) между этими  влажностями называют числом пластичности Iр.                                  Iр=WL - Wр.

 

W_L---W_P---I_P называют характерными влажностями грунта и выражают в процентах или долях единицы.

 

В пластичном грунте вся вода находится  в связанном (пленочном) состоянии. Исчезновение пленок воды делает грунт  твердым. Появление свободной воды нарушает структурные связи между  минеральными частицами, и грунт  оплывает (течет).

W_L зависят от  гранулометрического и минерального составов 

глинистых грунтов и состава  их обменных  катионов.

 

Число пластичности используют для  классификации грунтов в соответствии с ГОСТом 25100—95 глинистые, пылевато-глинистые, лессовые грунты и илы подразделяют по Iр на

  супеси 0,01<1р< 0,07;            суглинки 0,07<1р<0,17;        глины    1р>0,17.

 

Показатель консистенции - I_L:            I_L=(W—Wp)/(W_L—Wp).

Этот показатель позволяет выделить разновидности грунтов по их консистенции (состоянию), например:

твердые,  I_L<0;            пластичные, с 0< I_L <1;     текучие, с I_L > 1.

Возможно и более дробное  подразделение (ГОСТ 25100—95).

 

Водостойкость Глинистые грунты, насыщенные водой

размокают полностью, -частично, или сохраняют свою целостность в течение длительного времени (дни, месяцы).

 

В зависимости от этого различают грунты   -неводостойкие,

слабоводостойкие и относительно водостойкие.

 

Примером неводостойких грунтов  являются лессовидные суглинки. Морские глины в воде практически не распадаются.

 

Липкость. Эта способность грунтов обусловлена вязкостью и «клейкостью» пленочной воды, количество которой зависит от содержания глинистой фракции.    Супеси и пески липкостью не обладают .

 

******

Классификационные и расчетные показатели свойств грунтов.

 По своему назначению все  показатели свойств грунтов можно  разделить на две группы — -классификационные и  расчетные.

Классификационные служат для отнесения грунта к тому или иному классу, -группе, подгруппе, типу, виду и разновидности.

Например, характер и прочность структурных связей позволяет разделить грунты на классы и группы и отнести их к скальным и нескальным; далее, по вещественному составу они разделяются на типы.

Виды – определяют с учетом размеров частиц и показателей свойств;

Разновидности - по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.

 

Так,  с помощью числа пластичности можно выделить разновидности глинистых  грунтов: глины, суглинки, супеси и т. д.

Расчетными называют такие показатели свойств, которые необходимы инженеру-проектировщику для прогнозирования деформаций основания и расчета устойчивости сооружения.

К ним относятся: плотность, сопротивление сдвигу (С и f), модуль общей деформации, коэффициент поперечного расширения, коэффициент фильтрации, относительная просадочность, набухание и др.

 

Количественные значения показателей  свойств подразделяют еще и по степени представительности, т.е. полноты  отражения свойств некоторого грунтового объема, например пласта или его  части.

 

По этому признаку выделяют три  значения Показателей:

-частное (индивидуальное), обобщенное (нормативное  или  среднее),

расчетное.

Частное значение получают как результат испытания. Оно характеризует свойства только в одной точке, а не отражает в целом свойства грунта из-за неоднородности его состава и структуры.

Некоторое множество частных значений из различных его точек обобщают и выводят статистически среднее значение показателя, которое обычно называют нормативным.

 В большинстве случаев инженер-строитель вводит поправки на нормативные значения свойств, зависящие от ответственности ПГС и сложности ИГ-условий.

С учетом этих поправок получают  расчетные значения показателей, которые используют в расчетах фундаментов сооружения.

При расчете оснований зданий и  сооружений используют инженерно-геологические, карты и разрезы данного массива грунтов, на которых выделяют основные структурные единицы массива — инженерно-геологические элементы (ИГЭ), под которыми понимают -

объем однородного геол. тела (линза, пласт, зона разлома и т. д.), в пределах которого показатели состава, строения и свойств носят случайный  характер.

 

В основе выделения ИГ-элементов  лежит литологический принцип.