Основы грунтоведения

Грунтоведение – наука о грунтах, исследующая состав, состояние, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-строительной деятельностью человека. Грунтами называют любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды.

Грунты могут служить:

– материалом оснований сооружений,

– материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин),

– средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 классификация грунтов распространяется на все грунты и устанавливает их классификацию, применяемую при производстве инженерных изысканий, проектировании и строительстве зданий и сооружений. Грунты подразделяются на классы: скальные, дисперсные и мерзлые.

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

– класс (подкласс) – по природе структурных связей;

– тип (подтип) – по генезису;

– вид (подвид) – по вещественному, петрографическому или литологическому составу;

– разновидность – по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов.

Скальные грунты обладают жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными).

Дисперсные грунты характеризуются физическими, физико-химическими или механическими структурными связями. Грунты с механическими структурными связями выделяют в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями в подкласс связных грунтов.

Мерзлые грунты, наряду с другими структурными связями обладают криогенными связями (за счет льда). Грунты с криогенными и одновременно с кристализационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями – в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями выделяют в подкласс ледяных грунтов.

Физические свойства грунтов

Плотность ρ – масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогического состава. Для дисперсных грунтов – ρ=1,3–2,0 г /см³, для скальных – ρ=2,5–3,3 г /см³.

Плотность частиц грунта ρ_s – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρ_s=2,2–3,2 г /см³.

Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при температуре 105–107 ºС в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы.

Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц.

Значения плотности применяются для характеристики физических свойств грунта как основания или строительного материала, а также для расчетов при динамических нагрузках.

Водно-физические свойства грунтов

Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость.

Полная влагоемкость (W_П.В, д. е.)– максимальное содержание воды, содержащееся в породе,.

Коэффициент водонасыщения грунта, степень влажности, (S_r, д. е.) – степень заполнения объема пор водой

Критерии физического состояния глинистых грунтов – число пластичности (J_p;), показатель текучести (J_L,).

Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси.

Пластичность – свойство грунтов изменять под действием внешних сил (давление) свою форму и размеры без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после снятия нагрузки.

Влажности, при которых грунт обладает пластичными свойствами, называют верхним и нижним пределом пластичности:

– верхний предел пластичности (W_L) – граница текучести соответствует влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём).

– нижний предел пластичности (W_p) – граница раскатывания соответствует влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём).

Число пластичности – разность между влажностью на границей текучести и влажностью на границей раскатывания. По числу пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины (прил. 2).

Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы.

Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа и зависит:

– от гранулометрического состава,

– минералогического состава,

– структуры и текстуры пород.

Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяется только при разрушении грунта. Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа. Для скальных грунтов прочность характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие R_с (МПа).

Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки), характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e_sw, – отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Набухание грунтов зависит:

– от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава,

– от химического состава воды, взаимодействующей с породой (бентонитовая глина увеличивается в объеме на 80 %, каолиновая на 25 %).

Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании и характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e_sw, – отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05–0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость более 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями.

Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности.

Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности.

Коррозионные свойства глин возникают в результате электролиза, начинающегося при воздействии блуждающих электрических токов (трамваи, троллейбусы в городах), в результате чего происходит разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов.

Ил – водонасыщенный современный или древний нелитифицированный морской или пресноводный органо-минеральный осадок, содержащий более 3 % (по массе) органического вещества текучей консистенции, коэффициент пористости е ≥ 0,9 и содержание частиц менее 0,01 мм более 30%. Илы не выдерживают даже минимальные нагрузки, в результате которых выдавливаются, а при динамическом воздействии разжижаются.

При устройстве оснований сооружений ил заменяют на другой грунт, используют свайные основания, опирающиеся на прочные грунты, выполняют наброску камня или намывают слой песка.

Заторфованные грунты – песчаные или глинистые грунты, содержащие в своем составе торф (от 3 % для песка и от 5% для глинистого грунта до 50% по массе).

Торф – органический грунт, содержащий в своем составе более 50% (по массе) органического вещества_, характеризующийся высокой влажностью, сильной сжимаемостью, неравномерными осадками. При строительстве применяются свайные основания, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин.

Классификационные показатели скальных грунтов приведены в приложении 3, обломочных грунтов – в приложении 4.

Прочность – свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами. Предел прочности скальных грунтов на одноосное сжатие R_c, (МПа) – отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.

Выветривание – совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, К_wr,, как отношение плотности выветрелого грунта ρ_в к плотности невыветрелого грунта ρ_нв.

Размягчаемость – уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости К_sof, – отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Степень растворимости в воде q_sr, г/л, – величина, отражающая способность грунта растворяться в воде при нормальных условиях за счет растворения неорганических и органических веществ, определяемая при соотношения грунта и воды 1:5 и равная концентрации образующегося равновесного раствора.

Вопросы для самопроверки.

1. Определите класс, группу, подгруппу, тип для гнейса и алевролита по ГОСТ 25100-2011.

2. Дайте понятие плотности и пористости грунта.

3. Что такое пластичность и какие грунты обладают пластичностью?

4. Деформационные свойства грунтов, основные показатели?

5. Прочностные свойства грунтов, основные показатели.

6. В каких грунтах может возникнуть процесс набухания, в каких грунтах могут возникнуть просадки?

7. Что такое торф? Особенности строительства на заторфованных грунтах.

Подземные воды

1.3.1. Классификация подземных вод

Подземные воды – воды, находящиеся в верхней части земной коры. Наука о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами называют гидрогеологией. Для строителей подземные воды в первом случае – источник водоснабжения, во втором – фактор, затрудняющий производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод в котлованы и горные выработки. Подземные воды вызывают разрушение материалов, используемых для строительства подземных частей сооружений (фундаментов).

В результате взаимодействия подземных вод и горных пород в основании сооружений происходит изменение физико-механических свойств пород, как правило, приводящее к уменьшению прочности. Подземные воды являются одной из причин, вызывающих такие геологические процессы, как просадки лёссовых пород, пучение, оползни, карст, суффозию и другие.

В природе наблюдается малый и большой круговорот воды. Малый круговорот происходит по схеме: море – атмосфера − море; большой круговорот: море – атмосфера – суша − море. Осадки, выпавшие на сушу, делятся на три части: испарение, сток и просачивание (инфильтрация) в почву.

Образование подземных вод

Инфильтрация – просачивание по порам и трещинам горных пород атмосферных осадков, речных и др. вод под действием силы гравитации (верхняя часть земной коры.).

Конденсация водяных паров – в пустынях и под фундаментами зданий.

Ювенильные воды – пар, горячие источники при вулканической деятельности (при остывании и дегазации магмы).

Седиментационные – соленые водыв зонах замедленного водообмена (при уплотнении древних морских осадков).

Вода в горных породах существует в двух основных видах – связанная и свободная. Связанная водаподразделяется:

– на кристаллизационную, которая находится в кристаллической решетке минералов;

– цеалитную, занимающую свободное пространство в кристаллической решетке минералов (SiO₂ – кварц, а с nН₂О – опал);

– конституционную – в виде иона ОН^-.

Свободная вода подразделяется:

− на водяной пар, который занимает все поры, свободные от жидкой воды и образуется из всех других форм почвенной воды, путем испарения и вновь переходит в нее путем конденсации.

− гигроскопичная – это вода, поглощаемая коллоидными оболочками частиц грунта (породы), отделить можно только нагреванием;

− пленочная – слабосвязанная вода, окружающая набухшую частицу грунта (породы) в виде оболочки (свойство влагоемкости – способность горных пород удерживать часть воды в капельножидком состоянии);

− капиллярная вода – защемленная или связанная с капиллярами между отдельными гранулами или частицами горных пород;

− гравитационная – свободная вода, движется под влиянием гравитационных сил (силы тяжести);

− лед – в твердом состоянии (в условиях многолетней мерзлоты).

Основные гидрогеологические понятия

Водопроницаемые породы – горные породы, пропускающие через себя воду, могут составлять и зону аэрации, и зону насыщения.

Водоупорные породы − это горные породы, задерживающие фильтрацию воды (монолитные скальные породы, мерзлые породы, глины).

Водоносные породы – горные породы , дающие возможность движения воды в порах и пустотах.

Водоносный горизонт − водоносные породы, насыщенные водой и образующие по площади и мощности выдержанный пласт.

Уровень грунтовых вод – это граница между зоной аэрации и зоной насыщения.

Главные водно-физические свойства горных пород

Влажность (W) – отношение массы воды в порах к массе сухого грунта (высушивание при t =105 ºС).

Пористость(отношение объема пор к объему грунта) – обуславливает возможность присутствия подземных вод в земной коре.

Влагоемкость– способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды (численно может быть равна пористости). По степени влагоемкости горные породы подразделяются на три категории:

– весьма влагоемкие (торф, глины, суглинки),

– слабовлагоемкие (мергели, рыхлые песчаники, мелкие пески),

– невлагоемкие (изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, крупный песок).

Водоотдача – характеризуется количеством гравитационной воды, которое можно получить из 1 м³ породы путем свободного стока.

Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду. Степень водопроницаемости не определяется величиной пористости, а зависит от размера пор (пустот). Пример: глины имеют пористость порядка 60 %, однако водонепроницаемы, а песок, с пористостью 30 % – хорошо водопроницаем.

По степени водопроницаемости горные породы подразделяют:

– на хорошо водопроницаемые (галечник, гравий, крупнозернистый песок, карст), к_ф = 3–30,

– водопроницаемые (трещиноватые скальные породы, пески), к_ф = 0,3–3,

– слабопроницаемые (пылеватые пески, супеси, суглинки, лессы, торф), к_ф = 0,005–0,3,

– непроницаемые (водоупорные) – мерзлые породы, монолитные породы, глины, к_ф < 0,005.

Коэффициент фильтрации к_ф(м/час, м/сутки) – скорость движения подземных вод через породу при гидравлическом градиенте I = 1.

Основные физические свойства подземных вод (органолептические): температура, цвет, прозрачность, вкус, запах.

Химический состав подземных вод

Вода является сложным соединением. В природе не существует воды, тем более, подземной, которая не содержала бы в своем составе солей и газов. Часть из них присутствует в виде элементарных и сложных ионов (катионов и анионов), а часть в виде молекул и сложных веществ. В молекулярном и коллоидальном состоянии в подземных водах содержатся органические вещества и кремнекислота – SiO₂×Н₂О. В коллоидальном состоянии могут находитьсягидроокись [Fe(OН)₃] и окись железа (Fe₂O₃×4Н₂О), окись алюминия (Al₂O₃×Н₂О).

В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: двуокись углерода (СО₂), сероводород (Н₂S), азот (N₂), метан (СН₄), кислород (О₂). Иногда повышенные содержания радиоактивных веществ. Все особенности химического состава подземных вод определяются геологическими условиями и климатическими факторами.

Важнейшими ионами, определяющими минерализацию (химический состав) воды являются: анионы – Сl^-, SO₄^2- и НСО₃^-, катионы – Na⁺, Са²⁺, Мg²⁺.

Общая минерализация(М, г/л) – сухой остаток после выпаривания1 л воды (до 1 – пресная, 1–10 – солоноватая, 10–35 – соленая, более 35 – рассолы).

Все подземные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСO₃^-), сульфатные (SO₄^2-) и хлоридные (Сl^-).

Каждый класс, по преобладающему катиону, делится на три группы: кальциевые (Са²⁺), натриевые (Na⁺) и магниевые (Мg²⁺).

Жесткость воды– свойство, обусловленное наличием в ней растворенных соединений Са²⁺ и Мg²⁺, и способностью их образовывать плотный нерастворимый осадок при кипячении (плотная корка в котлах). Это свойство отчетливо выявляется при растворении в воде мыла: чем вода жестче, тем больше мыла требуется для появления пены. Жесткие воды непригодны для многих производств – бумажного, сахарного, кожевенного и т. д. Выражается в мг-экв, (1 мг-экв жесткости – в 1 л воды содержится 20,4 мг катионов Са и 12,6 мг катионов Мg).

Концентрация водородных ионов (рН). Показатель важен для правильного определения химического состава воды. При нейтральной реакции – рН = 7, при кислой – рН < 7,0, при щелочной – рН >7,0. Определяют лакмусовой бумажкой (допустимо 6,5–8,0)

Агрессивность подземных вод – свойство подземных вод разрушать горные породы и стройматериалы, в результате соприкосновения. Агрессивность зависит от кислотности подземных вод и скорости их движения. В песчаных грунтах агрессивность проявляется при рН < 7, в глинистых грунтах – при рН < 5.

По отношению к бетону различают агрессивности:

− углекислая агрессивностьпроявляется при содержаниив воде Н₂СО₃ высокой концентрации. Показатель агрессивная углекислота – то количество Н₂СО₃, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение карбоната кальция (карбонатные породы – известняки, мергели).

− выщелачивающая агрессивность – определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО₃^-, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО₃^-. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами.

− общекислотная агрессивность – зависит от рН, особенно активна кислая среда (рН<5) – активный растворитель для вмещающих пород (солей, карбонатов), опасна для железобетонных конструкций.

−сульфатная агрессивностьопределяется наличием в водах иона SO₄^2-. Соли серной кислоты обладают опасным свойством притягивать к себе nH₂O. Переход ангидрида в гипс дает увеличение объема в 2 раза. При соединении алюмосиликатов с такими водами в результате гидратации на цементе образуется соль Деваля, или цементная бацилла (наросты, вспучивание, крошится бетон).

− магнезиальная агрессивность – определяется наличием ионов Mg⁺⁺, которые легко вступают в соединения, образуя соли, легко растворимые в воде, опасна для железных конструкций.

Свободный кислород, рН, SO₄^-- – приводят к активному действию воды на железные конструкции – коррозия и растворение металлов.

Меры борьбы: при общекислотной агрессивности допускается подщелачивание воды при условии малых движений подземных вод, при выявлении сульфатной агрессивности применяют специальные виды цемента. Железные конструкций заменяются другими материалами (чугун, пластмассы и пр.). Применяются различного рода гидроизоляционные материалы.

Классификация подземных вод по степени заполнения пористого пространства

Подземные водыпринято делить на две зоны, неравномерные по мощности:

− зона аэрации – это промежуточный слой между атмосферой и подземной гидросферой, пустоты, трещины и поры проницаемых пород не всегда и не везде заполнены водой. Здесь происходит вертикальное просачивание атмосферной влаги или поверхностных вод, и могут возникать скопления временных или сезонных вод:почвенные воды,верховодка.

− зона насыщения – все поры в породе заполнены водами, которые подразделяются по гидродинамическому признаку набезнапорные (грунтовые) и напорные (артезианские).

Верховодка – это временный водоносный горизонт, возникающий наиболее близко к земной поверхности в зоне аэрации на небольших по площади водоупорных слоях (линзах) при условии обильного питания подземных вод.

Особенности: площадь верховодки редко превышает 300 м², летом, испаряются или инфильтруются на глубину, зимой промерзает, легко загрязняема бытовыми отходами.

Безнапорные (грунтовые) воды – это свободные гравитационные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, заключенных в рыхлых четвертичных отложениях или в верхней части коренных пород и развитого на первом от поверхности региональном водоупорном слое.

Особенности грунтовых водоносных горизонтов:

− имеют свободную поверхность (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному);

− при вскрытии грунтовых вод искусственными выработками уровень воды устанавливается на той же самой глубине, на которой появляется; питание грунтовых вод происходит по всей площади их распространения за счет атмосферных осадков, за счет инфильтрации вод из рек и водоемов, поступление подземных напорных вод из более глубоких горизонтов;

− дренирование (разгрузка) грунтовых вод осуществляется в основном эрозионной сетью на участках пересечения уровня грунтовых вод с понижениями рельефа, на которых образуются выходы подземных вод на поверхность в виде источников, родников, а также под водой (подводная, подрусловая разгрузка);

− тесная взаимосвязь с речными водами, которые могут являться областью дренирования, а также областью питания в период паводков.

По условиям залегания безнапорные (грунтовые воды) образуют: грунтовые потоки, бассейны и межпластовые безнапорные воды.

Грунтовые потоки – движение грунтовых вод по уклону от области питания к области дренажа. Зеркало грунтовых вод имеет уклон от участков с большим гидростатическим напором к меньшим. Гидростатический напор (H) – абсолютная отметка уровня грунтовых вод в данной точке (высота от уровня мирового океана).

Грунтовый бассейн возникает в случае образования водоупорным ложем мульды (впадины). Часто грунтовый бассейн бывает частью грунтового потока.

Межпластовые безнапорные воды – водоносный горизонт, расположенный между двумя водоупорами со свободной водной поверхностью.

Для грунтовых вод характерен неустановившийся режим (резкие колебания уровня грунтовых вод в зависимости от времени года, значительное влияние температуры воздуха на температуру грунтовых вод и изменения химического состава (минерализации) в период межени и паводка).

Гидроизогипсы – линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками подземных вод, строятся при одновременном замере уровней в колодцах и скважинах и проводятся, как правило, через 0,5, 1, 2, 5, 10 м. Карты гидроизогипс в частности, позволяют выявить взаимосвязь поверхностных и подземных вод.