Классификационные показатели грунтов

Классификационные показатели грунтов применяются для отнесения грунтов к той или иной категории поведения их при возведении на них сооружений.

К классификационным показателям относятся: вещественный состав (гранулометрический и минеральный), характеристики физического состояния (плотность для песчаных и консистенция для глинистых) грунтов.

Гранулометрическим составом грунта называют относительное содержание групп частиц или фракций грунта различной крупности, выраженное в процентах от общей массы абсолютно сухого грунта.

Для его определения проводится гранулометрический анализ, состоящий в разделении навески грунта на составляющие его фракции частиц и обломков (от самых крупных, до очень мелких, размером тысячные доли мм) и последующем определением процентного содержания каждой фракции к массе навески.

В дорожной классификации принято делить частицы грунта на гравийную, песчаную, пылеватую и глинистую фракции.

Гравийные частицы (размер >2мм) не обладают связностью и не набухают в воде. Водопроницаемость их очень велика (>100м/сут) капиллярность отсутствует. Присутствие гравийных частиц в грунте в количестве > 30% придает ему прочность и устойчивость.

Песчаные частицы (размер 2-0,05мм) не обладают связностью и не набухают в воде, водопроницаемость значительная, капиллярное поднято невелико, усадка, пластичность и липкость отсутствуют.

Пылеватые частицы (размер 0,05-0,001мм) характеризуются слабой связностью, набуханием, поднимают воду по капиллярам до 3м высоты, способны переходить в плывуновое состояние, водопроницаемость крайне незначительна.

Глинистые частицы (размер <0,001мм) являются наиболее активной частью грунта, практически водонепроницаемы, обладают большой влагоемкостью и сильно набухают в воде, обладают пластичностью липкостью и коагуляцией, способны к поглощению (адсорбации) веществ из растворов.

Классификация грунтов по гранулометрическому составу, используемая при проектировании и строительстве линейных сооружений, включает в себя три типа — крупнообломочный, песчаный и глинистый

Таблица 2.1.

Для типа глинистых грунтов первостепенное значение имеет не размер частиц, а диапазон влажности, в котором грунт будет пластичным, и пористость грунта.

Под пластичностью глинистых грунтов понимают их способность изменять форму без разрыва их сплошности и не восстанавливать её после снятия нагрузки.

Пластичность зависит от содержания глинистых частиц. Чем больше содержание глинистых частиц в грунте, тем в большой степени он обладает пластичностью. Для каждого из глинистых грунтов характерно свое примерное содержание глинистых частиц (d<0,005мм):

супесь 3....10%; суглинок 10....30%; глина >30%. Однако согласно действующим стандартам разновидности глинистых грунтов устанавливаются в первую очередь по числу пластичности I_p равному разности между двумя весовыми влажностями в %: границей текучести W_L и границей пластичности (раскатывания) W_p: I_p=(W_L-W_p) (2.16)

Первая граница (текучести) W_L соответствует влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние.

Вторая граница (раскатывания) W_p соответствует влажности, при которой грунт теряет свою пластичность.

Для определения характерных влажностей W_L и W_p разработаны различные методы. Влажность на границе текучести определяют при помощи балансирного конуса Васильева. Влажность теста должна быть такой, чтобы конус погрузился на 10мм за 5сек. Влажность на границе раскатывания соответствует влажности, при которой грунт раскатывается в жгут, который крошится на дольки 8... 10мм и диаметром 2... 3мм.

Учитывая число пластичности I_p и содержание песчаных частиц гранулометрическая классификация типов глинистых грунтов выглядит следующим образом:

Таблица 2.2.

Упрощенная гранулометрическая классификация глинистых грунтов для строителей составлена с учетом показателей пластичности и содержания глинистых частиц.

Таблица 2.3.

Для глинистых грунтов характерно изменение объема при изменении влажности — уменьшение объема при высыхании — усадка и увеличение объема при увлажнении (впитывании воды) — набухание.

Усадка и набухание являются результатом действия трех видов внутренних сил:

- всасывания — по мере испарения влаги они заставляют воду подтягиваться к поверхности изнутри грунта при усадке или впитываться его поверхностью и перемещаться вглубь при набухании;

- связности (сцепления) — сближают частицы скелета при потере грунтом влаги;

- расклинивания — раздвигают частицы скелета по мере поглощения воды.

Значение этих сил зависит от минералогической природы и гранулометрического состава скелета, концентрации и вида электролитов в поровом растворе начальной влажности и плотности грунта.

При высыхании глины её объем по достижению некоторого предельного значения доли не уменьшается, хотя влага продолжает испаряться. Влагоемкость грунта в этом состоянии называется границей усадки (W_s). В верхних слоях грунта, испытывающих усадку, могут возникать трещины, свидетельствующие о появлении растягивающих усилий (напряжений), так как более глубокие слои медленнее теряют воду и медленнее сжимаются, чем верхние.

Усадка грунта может происходить вследствие внутренней перестройки сложения глинистого грунта, испытывающего с течением времени самоуплотнение с выжиманием на поверхность поровой воды. Это явление — синерезис, может происходить с глинами, даже находящимися под водой.

В глинистых грунтах, при любой влажности меньшей границы раскатывания, поры заполнены водой и степень влажности S_r ~0,8:0,85, испарение воды происходит без дальнейшего уменьшения объема грунта и степень влажности грунта постепенно снижается до нуля.

Набухание грунта характеризуется относительным набуханием в условиях свободного набухания δ_н=(V_cн-V_нач)*100%/V_нач

где V_cн — объем образца после свободного набухания при замачивании до полного водонасыщения;

V_нач — начальный объем образца природной влажности.

Грунты считают не набухающими при δ_н<4% и слабонабухающими при 4

δ_н 8%

набухающие грунты характеризуются величинами давления набухания P_sw, влажности набухания W_sw и относительной усадкой при высыхании ɛ_sh.

За давление набухания Р_sw принимается давление на образец грунта, замачиваемого и обжимаемого без возможности бокового расширения, при котором деформации набухания равны нулю. За влажность набухания грунта W_sw принимается влажность, полученная после завершения набухания образца грунта, обжимаемого без возможности бокового расширения заданным давлением.

Если к естественнои залегающему грунту, способному набухать, подвести воду, то по мере впитывания его поверхность начнет постепенно подниматься. Сооружение на этой поверхности будет испытывать снизу давление набухания Р_sw. Чтобы сооружение не было приподнято и не деформировалось при неравномерном набухании грунта, его вес должен быть больше суммы сил набухания, действующих на его фундаменты. Давление набухания у некоторых глин может доходить до 500-1000 кПа (0,5-1,0мПа).

При неограниченном доступе воды к набухающему грунту и отсутствии в нем водостойких связей грунт, впитывая воду, распадается. Этот процесс называется размоканием.

Под размоканием понимается дезинтеграция грунта на отдельные частицы или мелкие агрегаты вследствие полного разрушения структурных связей в воде. Разрушение может быть вызвано как растворением цемента связей, так и расклеивающим действием тонких пленок воды. Размокание служит критерием оценки водоустойчивости грунтов в основаниях и в составе земляных сооружений.

Важным классификационным показателем является: плотность сыпучих (песчаных) грунтов.

Плотность сыпучих (песчаных) грунтов, имеющая первостепенное значение для оценки их как оснований сооружений, она оценивается специальными испытаниями: 1) лабораторными — по коэффициенту пористости и по относительной плотности; 2) полевыми — зондированием (динамическим и статическим) в месте непосредственного замечания грунтов.

Для чистых (не слюзистых) песков достаточно определить их природный коэффициент пористостипо пробам естественной структуры, найдя ρ, ρ_s и ω.

Лабораторными испытаниями — по коэффициенту пористости пески подразделяются на плотные, средней плотности и рыхлые:

Нормативные данные плотности песчаных грунтов Таблица 2.4.

Для характеристики плотности сложения песчаного грунта используются степень плотности сложения или коэффициент относительной плотности сложения: I_D=(l_max-l)/(l_max-l_min),

Где l_min — коэффициент плотности в предельно-плотном сложении;

l_max — коэффициент плотности в предельно-рыхлом сложении; l_max и l_min определяют в лабораторных условиях.

По величине I_D пески подразделяют на слабоуплотненные I_D=0...0,33; среднеуплотненные I_D=0...0,33... 0,66 и сильноуплотненные I_D=0...0,66... 1.

Полевыми испытаниями — зондированием определяется относительная уплотненность грунтов. Способ статического зондирования — вдавливание в грунт стандартного конуса (Ø-36мм, площадь основания 10см², L при вершине 60⁰) и определение предельного сопротивления по динамометру.

Обобщенные данные по статическому зондированию приведены в таблице 2.5..

Предельное сопротивление сыпучих грунтов вдавливанию, кгс/см² при статическом зондировании Таблица 2.5.

Способ динамического зондирования основанна на применении стандартного пробоотборника наружным диаметром 51мм, забиваемого вертикально на 30см в грунт (в интервале глубин ниже отметки забоя скважины от 15 до 45см) ударами молота весом 63,5кгс (~635Н) с высоты 71см (число ударов фиксируется). Чем плотнее грунт, тем больше ударов для забивки.

Обобщенные данные о соотношении между числами ударов N и относительной плотностью I_D песчаных грунтов приводятся в таблице 2.5.

Данные динамического зондирования пробоотборником Таблица 2.5.

Консистенция глинистых грунтов. Плотность (уплотненность) глинистых грунтов определяется их консистенцией, под которой понимают густоту и вязкость грунтов, обусловливающие способность их сопротивляться пластическому изменению формы.

Густота и вязкость грунтов зависят от количественного соотношения твердых частиц и воды в единице объема грунта. Показателем консистенции, или индексом текучести I_L служит выражение

I_L= (ω-ω_p)/(ω_L-ω_p)= ω- ω_p/l_p

В зависимости от величины I_L различают следующие виды консистенции:

Глины и суглинки:

Супеси:

Консистенция глинистых грунтов может быть оценена так же по результатам статического зондирования (по сопротивлению вдавливанию).

При сопротивлении грунта погружению конуса, кгс/см²:

По показателям консистенции глинистых грунтов назначают расчетное сопротивление оснований сооружений.

Кроме того, консистенция имеет значение для установления применимости расчетных теорий: сплошных деформируемых масс (упругости, пластичности, вязких течений); фильтрационной консолидации; наследственной ползучести и др.