Классификация грунтов и устойчивость земляных сооружений

Свойства и качества грунта, в котором отрывают выемки, из которого и на котором возводят насыпи, оказывают, естественно, существенное влияние на устойчивость сооружений, методы их возведения, трудоемкость и стоимость земляных работ.

Грунтами в строительстве называют горные породы и почвы, залегающие в верхнем слое земной коры, состоящие из минеральных частиц и органических примесей в самых различных соотношениях. Кроме того, в грунте имеются поры, заполненные воздухом, водой или растворами солей различной концентрации, которые также оказывают влияние на свойства грунта.

Грунтовый скелет состоит из песчаных, пылеватых и глинистых частиц, содержание которых характеризуют свойства грунта. Содержание каждого вида частиц, выраженное в процентах, характеризует так называемый гранулометрический состав грунта. В зависимости от преобладающего содержания того или иного вида частиц при строительстве обычно различают грунты песчаные (супесь и песок), глинистые (глины и суглинки), скальные (изверженные и осадочные), растительные, лессовые.

Грунты характеризуются по свойствам и классифицируются в зависимости от того, рассматриваются ли они как основание под зданиями и сооружениями, или как материал для возведения земляных сооружений. Нас больше интересуют свойства грунтов, как материала, т.е. его технологические свойства. К таким свойствам относят плотность, влажность, способность поглощать, удерживать влагу и размываться ею, разрыхляемость и уплотняемость, пористость, угол естественного откоса, сцепление, удельное сопротивление резанию и т. д.

Некоторые из этих характеристик очевидны, напомним лишь пределы, в которых они находятся для разных грунтов:

- плотность 1,6 – 2,0 т/м³ для песчаных и глинистых грунтов, 2,2-3,5 – для скальных;

- влажность 5-30 %, при влажности более 30 % грунты считаются мокрыми, а при влажности менее 5 % – сухими;

- сцепление, зависящее от сил связи между частицами грунта и определяющееся начальным сопротивлением грунта сдвигу, колеблется в пределах от 0,03 до 0,05 МПа для песчаных грунтов и от 0,05 до 0,3 МПа – для глинистых грунтов.

Несколько подробнее о специфических технологических свойствах грунтов.

Угол естественного откоса – угол, при котором грунт находится в состоянии предельного равновесия, определяет крутизну устойчивых откосов выемок и насыпей, зависит от угла внутреннего трения, сил сцепления и других физических свойств грунта.

Разрыхляемость и уплотняемость грунтов – характеристика особенно нас интересующая, как имеющая непосредственное отношение к подсчету объемов земляных работ.

При разработке выемок грунт разрыхляется и занимает на лопате, в ковше землеройной машины или кузове транспортного средства значительно больший объем, чем в разрабатываемом плотном массиве (первоначальное разрыхление грунта). В период укладки вырытого грунта в насыпь без уплотнения он также занимает сначала больший объем, чем в плотном теле, с течением времени под давлением вышерасположенных слоев и смачивания дождем, а особенно при трамбовании или уплотнении другими способами грунт вновь уменьшается в объеме. Надежность и устойчивость любого земляного сооружения всегда тем больше, чем плотнее удалось получить грунт в этом сооружении. Но до состояния, в котором находился грунт до его разработки, довести его, как правило, не удается. Сохраняется так называемое остаточное разрыхление.

Степень разрыхления грунтов учитывают коэффициентом первоначального (К_р) и остаточного (К_о) разрыхления. Коэффициент первоначального разрыхления составляет для песчаных грунтов 1,08-1,15; суглинистых – 1,14-1,28; глинистых – 1,25-1,30; коэффициент остаточного разрыхления – соответственно 1,01-1,05, 1,015-1,05 и 1,04-1,09.

Трудность разработки грунта зависит от его свойств и конструктивного исполнения рабочего органа землеройного или землеройно-транспортного оборудования. С учетом этого в строительном производстве все грунты по трудности из разработки делятся на группы.

Для возведения насыпей пригодны не все виды грунтов. Для отсыпки не допускаются ил, плывун, гипс, рыхлые солончаки и пучинистые глинистые грунты. Из торфа, мела возводят насыпи высотой до 3 м с обязательной засыпкой сверху землистыми грунтами. Дерн применяют лишь для укрепления откосов.

Все земляные сооружения должны быть прочными, с устойчивыми откосами, высокой сопротивляемостью дождю, снегу и морозам, размывающему действию воды, способными воспринимать расчетные нагрузки, иметь конфигурацию и размеры в соответствии с проектом и сохранять их в процессе эксплуатации. Дорожные насыпи и выемки должны обладать безосадочностью, в насыпях плотин не должно быть фильтрации, особенно через их основание. К временным выемкам и насыпям предъявляют требования пониженного уровня, тем не менее обеспечивающие их устойчивость и безопасность работы.

Важнейшим требованием к постоянным и временным сооружениям является обеспечение устойчивости их боковых поверхностей – откосов. Устойчивость может быть обеспечена устройством очень пологих откосов, однако, чем положе откос, тем больше объем выполняемых работ и тем большую площадь занимает земляное сооружение. Поэтому оптимальная крутизна откосов, характеризуемая коэффициентом откоса (отношение проекции откоса на горизонтальную плоскость к его высоте), устанавливается строительными нормами и правилами дифференцированно в зависимости от вида сооружения, его высоты или глубины, качества грунта. Откосы постоянных насыпей делают более пологими, чем откосы выемок. Более крутые откосы допускаются при устройстве временных котлованов и траншей. Так, например, коэффициент откоса для всех постоянных выемок не глубже 3 м допускается 1,25, при высоте откоса от 3 до 12 м – 1,5. В сухих лессовидных грунтах при правильном водоотводе и в слабо выветренных скальных грунтах коэффициент откоса – от 0,1 до 0,2. В массивных невыветривающихся скальных породах допускаются вертикальные стенки выемок. Крутизна откосов постоянных выемок при высоте откосов более 12 м с повышенным давлением в нижних слоях, а также крутизну откосов переувлажненных выемок определяют при проектировании индивидуально для каждой выемки. При этом учитываются вид и качество грунта, глубина выемки.

Во всех грунтах, кроме песчаных, насыпных и лессовидных, могущих подвергаться увлажнению, коэффициент откоса временных выемок в целях безопасности (во избежание сползания призмы обрушения) принимается не менее 1.

Для восприятия увеличивающегося давления в нижней части постоянных насыпей их откосам иногда придают ломаный профиль с меньшей крутизной в нижней части откоса.