Строительные свойства грунтов, деформация

Согласно строительной классификации, наименование того или иного грунта устанавливается по характеру структурных связей (наличие жестких структурных связей у скальных грунтов и отсутствие таких связей у остальных), гранулометрическому составу и степени его неоднородности, числу пластичности, плотности сложения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ, по физико-механическим свойствам и др.

Скальные грунты по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rc, МПа, подразделяют на:

Очень прочные Rc> 120

Прочные  120≥ Rc > 50

Средней прочности 50≥ Rc> 15

Малопрочные  15≥ Rc >5

Пониженной прочности  5> Rc ≥3

Низкой прочности   .......   3> Rc ≥1

Весьма низкой прочности   Rc <1

Трещины и микротрещины, неизбежные даже в монолитах, уменьшают прочность скальных грунтов. Несущая способность размягчаемых скальных грунтов может снижаться при насыщении их водой. Снижение несущей способности характеризуется коэффициентом размягчаемости ksaf, равным отношению пределов прочности на одноосное сжатие образцов в водонасыщенном и воздушно-сухом состояниях. Скальные грунты, у которых ksaf≥0,75, называют неразмягчаемыми, при ksaf ≤0,75 их относят к размягчаемым. Это преимущественно осадочные грунты с известняковым, гипсовым и глинистым цементирующим веществом.

Некоторые скальные грунты (гипс, известняк) являются неводостойкими (растворяемыми). Вода выщелачивает в них основной материал грунта и цементирующее вещество, в результате чего образуются пустоты, так называемые карстовые полости.

По степени растворимости в воде, осадочные сцементированные грунты, подразделяют следующим образом:

Нерастворимые....... < 0.01 г/л

Труднорастворимые   ...... 0,01 — 1 г/л

Среднерастворимые...... > 1 —10 г/л

Легкорастворимые...... > 10 г/л

Возможность использования неводостойких скальных грунтов в основаниях сооружений проверяют в каждом конкретном случае на основе инженерно-геологических исследований.

Крупнообломочные грунты по гранулометрическому составу подразделяют на валунный, глыбовый, галечниковый, щебенистый, гравийный и дресвяный. Тип крупнообломочного грунта устанавливают по табл. 1.1.

При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя (более 40% общей массы абсолютно сухого грунта) или пылеватого и глинистого заполнителя (более 30%) в наименовании крупнообломочного грунта должно содержаться наименование заполнителя. Состав заполнителя устанавливают после удаления из образца крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.

Крупнообломочные и песчаные грунты по степени влажности Sr подразделяют на следующие разновидности:

Маловлажные......  .  .   0< Sr ≤0,5

Влажные.........0,5< Sr ≤0,8

Насыщенные водой......   0,8<Sr≤1,0

Песчаные грунты в зависимости от содержания зерен разной крупности (гранулометрического состава) подразделяют на следующие типы: гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Тип песка устанавливают по табл. 1.1. С этой целью сначала определяют суммарную массу (в процентах общей массы грунта) всех частиц крупнее 2 мм. Если она превышает 25%, то песок относят к гравелистым; если же эта масса составляет 25% и менее, то определяют массу всех частиц крупнее 0,5 мм и т. д. Наименование грунта принимают по первому удовлетворительному показателю в порядке расположения наименований в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Типы крупнообломочных и песчаных грунтов

По плотности сложения песчаные грунты в зависимости от значения коэффициента пористости е делят на плотные, средней плотности и рыхлые (табл. 1.2).

Пылеватые и глинистые грунты подразделяют в строительной практике в зависимости от числа пластичности Ip, %, на супеси (1≤ Ip≤ 7), суглинки (7< Ip ≤17) и глины (Ip > 17). Грунты, для которых Ip <1, относят к песчаным. При наличии в рассматриваемых грунтах крупнообломочных включений выделяют следующие их виды: супесь, суглинок или глина с галькой (щебнем) либо с гравием (дресвой), если содержание (по массе) соответствующих частиц крупнее 2 мм составляет 15— 25%; супесь, суглинок или глина галечниковые (щебенистые) либо гравелистые (дресвяные), если содержание (по массе) соответствующих частиц крупнее 2 мм составляет 25—50%.

По консистенции, характеризуемой показателем текучести IL глинистые грунты подразделяют на следующие разновидности:

Супеси:

твердые......... IL <0

пластичные........ 0 ≤IL ≤l

текучие.......... IL > 1

Суглинки и глины:

твердые.......... IL <0

полутвердые........ 0 ≤IL ≤0,25

тугопластичные....... 0,25 < IL ≤0,50

мягкопластичные....... 0,50< IL ≤0,75

текучепластичные...... 0,75 < IL ≤ 1,00

текучие.......... IL > 1,00

В случае набухания глинистого грунта, замачиваемого до нагрузки, необходимо определять свободное относительное набухание Esw, равное отношению увеличения высоты образца грунта к его начальной высоте. По относительному набуханию без нагрузки Esw выделяют следующие разновидности глинистых грунтов:

Ненабухающие …. Esw <0,04

Слабонабух ающие    . .   . . 0,04 ≤Esw  ≤0,08

Средненабухающие . . .   . 0,08< Esw ≤0,12

Сильнонабухающие .   . . Esw> 0,12

Глинистые грунты могут обладать также просадочностью, характеризуемой относительной просадочностью Esl, определяемой как дополнительное относительное сжатие образца грунта в результате замачивания. По относительной просадочности Esl  различают непросадочные (Esl <0,01) и просадочные (Esl ≥0,01) глинистые грунты.

Лессовые грунты однородны, как правило, отличаются макропористостью, в маловлажном состоянии способны держать вертикальный откос. При замачивании маловлажные лессовые грунты дают просадку, легко размокают и размываются, а при полном водонасыщении могут переходить в плывунное состояние. В зависимости от коэффициента пористости лессовые грунты подразделяют на низкопористые (е≤0,8) и высокопористые (е> 0,8). Илистые грунты имеют влажность, превышающую влажность на границе текучести, и коэффициент пористости е≥0,9. Илы подразделяют на супесчаные (е>0,9), суглинистые (е>1,0) и глинистые (е>1,5). В качестве оснований могут использоваться, как правило, только илы, уплотненные вышележащими напластованиями других грунтов.

Особенности деформирования грунтов по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.

Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, обычно могут рассматриваться как практически недеформируемые тела. Однако трещиноватая скала и разборный скальный грунт обладают некоторой деформируемостью. Разрушенные структурные связи в скальных грунтах со временем не восстанавливаются.

Объемные деформации крупнообломочных и однородных по гранулометрическому составу песчаных грунтов в значительной степени обусловливаются упругим сжатием частиц, а по мере увеличения нагрузки – пластическим разрушением контактов между ними. В неоднородных песках будут развиваться значительные деформации уплотнения. В водонасыщенных песчаных грунтах это сопровождается отжатием воды из пор. Поскольку размеры пор в песчаных грунтах относительно велики, процесс консолидации в них протекает значительно быстрее, чем в глинистых грунтах. Сдвиговые деформации в крупнообломочных и песчаных грунтах происходят за счет взаимного перемещения частиц с учетом разрушения контактов.

Наиболее сложно развивается процесс деформирования в глинистых грунтах. Объемные деформации в них связаны с более плотной переупаковкой частиц, окруженных пленками связанной воды, с уменьшением объема пор, с отжатием поровой воды и упругим сжатием защемленных пузырьков воздуха. Сдвиговые деформации в глинистых грунтах главным образом связаны с перемещением и переупаковкой частиц, окруженных гидратной оболочкой.

Интенсивность проявления деформаций в глинистых грунтах в большой мере зависит от характера структурных связей и величины действующих нагрузок. При нагрузках, не превышающих структурной прочности, глинистые грунты могут проявлять упругие свойства. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает постепенное разрушение структурных связей и интенсивное уплотнение грунта. Разрушенные водно-коллоидные связи со временем восстанавливаются, и после уплотнения глинистого грунта наблюдается его упрочнение.

Размеры пор в глинистых грунтах крайне малы, поэтому процесс консолидации в них протекает очень медленно. Деформации могут не стабилизироваться в течение многих месяцев, лет, даже десятилетий. Также медленно могут развиваться и процессы ползучести, связанные с взаимным смещением частиц, окруженных водными пленками, поворотом, изгибом и разрушением отдельных частиц.