Основы грунтоведения

Министерство образования и России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

 

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине: « Инженерная геология»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь 2014 г.

Раздел 1. Основы грунтоведения

 

1. Структура грунтоведения

 

Грунтоведение - наука о грунтах, «научное направление инженерной геологии, исследующее состав, состояние, строение и свойства грунтов и сложенных ими грунтовых толщ (тел или массивов), закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием современных и прогнозируемых геологических процессов, формирующихся в ходе развития земной коры под влиянием совокупности всех природных факторов и в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего инженерно-строительной деятельностью человечества».

Общее грунтоведение — научный раздел грунтоведения, исследующий общие особенности состава, состояния, строения и свойств грунтов и их ассоциаций, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов.

Региональное грунтоведение — научный раздел грунтоведения, исследующий особенности пространственного распределения грунтов (как элемента инженерно-геологических структур), пространственно-временные закономерности формирования их состава, состояния и свойств и изменение под воздействием современных и прогнозируемых природных и антропогенных процессов.

Геодинамическое грунтоведение — научный раздел грунтоведения, исследующий закономерности пространственно-временного изменения состава, состояния и свойств грунтов, под влиянием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов.

Общее, региональное и геодинамическое грунтоведение, тесно связаны между собой как по объекту, так и по методам исследования. Каждый из этих научных разделов изучает разные стороны исследуемого объекта и вносит необходимый элемент в познание грунтов и грунтовых толщ.

 

2. Классификация грунтов.

 

Рыхлые грунты состоят из механической смеси частиц различных размеров. Частицы, близкие по крупности, объединяют в группы, которые называют гранулометрическими (зерновыми) фракциями.

Гранулометрический состав грунта, т. Е. весовое содержание в нем различных фракций, выраженное в процентах по отношению к общему весу сухого грунта, весьма разнообразен и оказывает большое влияние на его важнейшие физико-механические свойства.

Согласно ГОСТ 25100-95 выделяют шесть основных фракций (табл. 1)

 

 

 

Табл. 1

Фракции (частицы)	Размер частиц, мм
Валунные (глыбовые) Галечниковые (щебенистые) Гравийные (дресвяные) Песчаные Пылеватые Глинистые	Более 200 10 – 200 2 – 10 От 2 до 0,05 0,05 до 0,005 Менее 0,005

 

Способность грунта деформироваться под действием внешних нагрузок без разрыва  и сохранять форму после прекращения нагрузки называется пластичностью.

Число пластичности IР — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания WР, WL и WР определяют по ГОСТ 5180-84.

Число пластичности глинистых грунтов определяет их строительные свойства: плотность, влажность, сопротивление сжатию. С уменьшением влажности плотность возрастает и сопротивление сжатию увеличивается. С увеличением влажности плотность уменьшается и сопротивление сжатию также уменьшается.

По гранулометрическому составу и числу пластичности Ip глинистые группы подразделяют согласно таблице 2.

 

Табл. 2 Классификация глинистых грунтов по гранулометрическому составу и числу пластичности

 

Разновидность глинистых грунтов	Число пластичности IР	Содержание песчаных частиц (2-0,5мм), % по массе
Супесь:
песчанистая	1 — 7	50
пылеватая	1 — 7	< 50
Суглинок:
легкий песчанистый	7 -12	40
легкий пылеватый	7 – 12	< 40
тяжелый песчанистый	12 – 17	40
тяжелый пылеватый	12 – 17	< 40
Глина:
легкая песчанистая	17 – 27	40
легкая пылеватая	17 — 27	< 40
тяжелая	> 27	Не регламентируется

 

3. Физические свойства грунтов. ГОСТ 5180-84

 

Физические свойства грунтов также во многом зависят от показателя их объемного веса. Благодаря данному свойству можно определить структурно-текстурные особенности исследуемого грунта. 

При изменении влажности существенно меняются физические свойства грунтов глинистых, а именно: пластичность и консистенция. Глинистые грунты имеют особенность переходить из одного состояния в другое (из твердого в полутвердое, далее в пластичное и текучее), поэтому очень важно детально исследовать эти грунты на влажность и по возможности спрогнозировать изменение их состояния в ходе эксплуатации и при различных геологических условиях.

Влажность грунта – отношение массы воды в объеме грунта к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы. Влажность грунта W , %, вычисляют по формуле:

W= 100(m1 – m0)/(m0 – m)

где m — масса пустого стаканчика с крышкой, г;

m1  — масса влажного грунта. Со стаканчиком и крышкой, г;

m0 — масса высушенного грунта со стаканчиком и крышкой, г.

Допускается выражать влажность грунта в долях единицы.

Влажность на границе текучести WL – влажность грунта, при которой грунт находится на границе между пластичным и текучим состояниями.

Влажность на границе раскатывания WP – влажность грунта, при которой грунт находится на границе между твердым и пластичным состояниями.

Число пластичности Ip, % — это характеристика грунтов, отражающая их способность удерживать воду. Вычисляется как разность между пределами текучести и раската, то есть это процентное содержание воды, которое придётся добавить к грунту, чтобы он из пластичного состояния перешел в текучее. На основе числа пластичности базируется классификация глинистых грунтов.

Ip = WL – WP

 

Ip=1-7 — супесь.

Ip=7-12 — лёгкий суглинок

Ip=12-17 — тяжёлый суглинок

Ip=17-27 — лёгкая глина

Ip > 27 — тяжёлая глина

 

Плотность грунта – масса единицы объема грунта.

Плотность сухого грунта – отношение массы грунта, за вычетом массы воды и льда в его порах, к его первоначальному объему, ρd, г/см3, определяемая по формуле

где ρ — плотность грунта, г/см3; 
W — влажность грунта, д. ед.

Плотность частиц грунта – масса единицы объема твердых (скелетных) частиц грунта.

Наличие в грунте мелких пустот определяют, как пористость грунта.

Численно пористость выражается, как отношение общего объема (Vn) всех пустот ко всему объему (V) грунта. Полученная величина называется пористостью и обозначается через n:

n = Vn/V

 Пористость грунта характеризуется  такой величиной, как коэффициент  пористости. Выражается он в виде  отношения объема (Vn) пустот к имеющемуся объему (Vs) твердой фазы. Коэффициент пористости еще называют приведенной пористостью и выражают в долях единицы.

Коэффициент пористости, е, определяется по формуле:

где ρs — плотность частиц грунта, г/см3; 
ρd — плотность сухого грунта, г/см3.

Лёд (синоним — грунт ледяной) — природное образование, состоящее из кристаллов льда с возможными примесями обломочного материала и органического вещества не более 10 % (по объёму), характеризующееся криогенными структурными связями.

Льдистость грунта за счёт видимых ледяных включений ii, д. ед. — отношение содержащегося в нём объёма видимых ледяных включений к объёму мёрзлого грунта. Определяется по формуле:

ρs — плотность мёрзлого грунта, г/см3; 
ρi — плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см3; 
Wtot — суммарная влажность мёрзлого грунта, д. ед.; 
Wm — влажность мёрзлого грунта, расположенного между ледяными включениями, д. ед. 
Ww — влажность мёрзлого грунта за счёт содержащейся в нём при данной отрицательной температуре незамёрзшей воды, д. ед.

Проницаемость — это способность пористой среды пропускать жидкости или газы при наличии перепада давления. За единицу проницаемости принят 1 дарси.

От проницаемости грунтов зависит ряд процессов, влияющих на устойчивость сооружений, в том числе:

• скорость уплотнения основания (грунтов);

• суффозия грунта — перемещение или вынос мелких частиц по порам, образованным более крупными частицами под воздействием фильтрационного потока;

• оползневые явления — перемещение грунтовых масс под действием силы тяжести или внешней нагрузки.

Движение свободногравитационной воды в грунтах оснований называется фильтрацией. Фильтрация может происходить по различным направлениям:

• горизонтально (рис. 1а);

• вертикально вниз (рис. 16);

• вертикально вверх (рис. 1в).

Рис. 1. Схемы движения воды в грунтах: l — длина или высота образца грунта; ΔН — разность отметок воды перед входом в образец и выходом из него

Закономерности фильтрации воды в водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме течения описываются законом Дарси:

v = kф∙ gradI

 где v — линейная скорость фильтрации, см/с; kф — коэффициент фильтрации, см/с; gradI — градиент напора, равный отношению величины падения напора (ΔH) к длине пути фильтрации (L), т.е.

gradI = ΔH/L

 Коэффициент фильтрации  является основной характеристикой  водопроницаемости грунтов и измеряется в см/c или м/сут.

Коэффициент проницаемости (kп) имеет размерность площади и в системе СИ измеряется в м2, а в СГС — в см2. На практике чаще используется другая единица измерения коэффициента проницаемости—дарси (Д); 1Д = 1,02∙10-12 м2 = =1,02∙10-8 см2. Соотношение между kф и kп следует из выражения:

kф = kп∙ρw/η

 Уравнение Дарси в  простой форме справедливо лишь  в определенных пределах скоростей фильтрации, определяемых диапазоном числа Рейнольдса Re = 1 — 10.

 

Водопроницаемость различных грунтов (по Н.Н.Маслову)

Грунты	kф, м/сут	Характеристика грунтов по водопроницаемости
Глины, монолитные скальные грунты	< 5 •10-5	Практически водонепроницаемые
Суглинки, тяжелые супеси, нетрещиноватые песчаники	до 5 •10-3	Весьма слабоводопроницаемые
Супеси, слаботрещиноватые глинистые сланцы, песчаники, известняки	до 0,5	Слабоводопроницаемые
Пески тонко- и мелкозернистые, трещиноватые скальные грунты	до 5	Водопроницаемые
Пески среднезернистые, скальные грунты повышенной трещиноватости	до 50	Хорошо водопроницаемые
Галечники, гравелистые пески, сильно трещиноватые скальные грунты	> 50	Сильноводопроницаемые

 

4. Механические свойства грунтов.

Исследование сжимаемости грунта в лабораторных условиях производится в компрессионных приборах – называемых одометрами. Схема одометра приведена на рис.2

 

Рис.2. Принципиальная схема прибора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате испытаний грунта в одометре при постепенном увеличении N I можем построить компрессионную кривую.

Компрессионная кривая – график изменения коэффициента пористости грунта с изменением уплотняющего давления.