Инженерная геология. Грунтоведение

компонент грунта
Минеральная компонента
Жидкая компонента
Газообразная компонента
Биотическая компонента
Взаимодействие основных компонент грунтов
Физические, водные и механические свойства грунтов, их показатели

Ананьев В.И., Потапов А.Д. Инженерная геология М., Высшая школа 2000, 511с.
2.Грунтоведение. Под ред.Трофимова В.Т. Изд-во Наука. 2005г
3.Инженерная геология России. Том.1. грунты России. Под ред.В.Т.Трофимова, Е.А.Вознесенского, В.А.Королёва. - М.: КДУ,2011.
4. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. - Л.: Недра. 1984.511с.
5.Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований.- Л.: Недра. 1990, - 327с.
6. ГОСТ 25100-2011 Грунты

Литература

2

геологии

Содержание термина «грунт»

Под грунтами понимаются любые горные породы, почвы, осадки и антропогенные геологические образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы, исследуемые в связи с планируемой, осуществляемой или осуществленной инженерной деятельностью человека.

Знания о грунтах
(их состав, строение,
состояние, свойства) – предмет
«грунтоведения»

3

строительных материалов,
необходимо
определение их физико-механических свойств,
для этого проводят полевые и
лабораторные исследования.

(классов, объектов) области знания или деятельности человека, используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов»

Классификации грунтов в инженерной геологии

Общие

Специальные

Частные

Региональные

5

25100-2011.
Общие классификации

Рассматривают полное глобальное многообразие грунтов
и систематизируют их в определённую иерархическую
систему по выбранным классификационным критериям
(используются генетические и морфологические показатели)

Предназначены
для
строительства
различных
отраслей

6

классификация по способу и трудности разработки грунтов;
классификация по крепости грунтов;
и другие.

Специальные классификации
(отраслевые)

Обычно основываются на учёте
одного какого-либо признака грунтов

Разработаны применительно
к задачам, требованиям
строительного дела

определенной отрасли

7

по величине деформации набухания или давления набухания;
и другие.

Частные классификации

Подразделяют множество грунтов
по одному или нескольким конкретным признакам
(показателям состава, микроструктуры, свойств и др.)

Применяются в практике
исследования состава,
состояния,
свойств грунтов
для различных целей

8

определенных территориях

Используются
при изучении
инженерно-геологических условий
различных регионов

9

обусловливая определенные строительные качества грунтов.
Vгр – объём грунта
Vт – объём твердой (минеральной
части) грунта
Vп – объём пустот (заполненных
водой и воздухом или газами)
Vв –объём воды
Vг – объём газа (воздуха)
Vгр = Vп + Vт
Vп = Vв + Vг
mгр – масса грунта
mт – масса твердой
(минеральной части) грунта
mв – масса воды
mгр = mт + mв

10

и представлена обломками и частицами, различной крупности, объединяемых в группы или фракции

Н.А. Качинского - для почв и глинистых грунтов,
С.С. Морозова - для лёссовых грунтов,
В.Д. Ломтадзе - для песчаных грунтов,
Е.М. Сергеева - для песчаных грунтов,
классификация ГОСТ 25100-2011,
и др.

Частные
разработаны для какого-либо одного типа грунтов

Классификации грунтов по гранулометрическому составу

Общие
охватывают большую часть петрографических типов грунтов

Классификация
В.В.Охотина

Количественное соотношение фракций различных размеров в грунтах отражает их гранулометрический состав

В зарубежных странах
- иные общие классификации

11

составе которых присутствуют своеобразные
минералы – «глинистые»

Наибольшее распространение имеют минералы групп каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, строение кристаллической решётки которых
различно

Обусловливает различие
физико-механических
свойств грунтов

обломочные и глинистые грунты рассматриваются как дисперсные и многофазные системы. В зависимости от степени дисперсности твердой фазы они подразделяются на грубые и тонкие дисперсии, коллоиды, молекулярные системы.

Важнейшей особенностью дисперсных грунтов, определяющей практически все происходящие поверхностные явления, является наличие двойного электрического слоя (ДЭС) ионов и скачка потенциала на границе раздела фаз «минерал — вода».

14

деформируемость

В инженерно-геологических целях подразделение твёрдой компоненты
- по преобладающему т и п у связей внутри компоненты

Прочность грунта зависит:
от прочности составляющих твёрдых компонентов
(кристаллов минералов, зёрен и обломков грунтов, минеральных частиц и др.),
от характера связи между ними.

ковалентный

ионный

металлический

водородный

молекулярный

Играют основную роль в формировании структурных связей в грунтах

15

Прочность самих твёрдых компонентов
определяется
прочностью и характером связей внутри них.

грунта (частицами, микроагрегатами, агрегатами, зернами), имеющее химическую, физическую, физико-механическую или механическую природу .
Удерживают элементы в определенных пространственных соотношениях, обеспечивая сохранность каркаса грунтов, определяя их
инженерно-геологические свойства.

Сил притяжения

Сил отталкивания

обусловлены

-химической связью,
-электростатическим
-молекулярным
-магнитным
-силами механического зацепления.

-ионно-электростатическим отталкиванием
одноименно заряженных двойных электрических слоев дисперсных частиц,
-отталкиванием за счет тонких гидратных
слоев адсорбированных на поверхности частиц молекул воды,
-борновским отталкиванием атомов
твердых поверхностей на малых расстояниях.

16

Природа структурных связей
Образуются на разных стадиях формирования грунта
в результате сложных физико-химических процессов и
являются проявлением
суммарного эффекта

взаимодействием,

к свободной)

Свободная

1.Вода кристаллической решётки минералов (конституционная, кристаллизационно-связанная).
2.Адсорбционная вода (островной, мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции).

1.Осмотически поглощённая вода.
2.Капиллярная вода (капиллярной конденсации и капиллярного впитывания).

1.Замкнутая в крупных порах
(иммобилизованная).
2.Текучая.

Виды и разновидности воды

17

с другими компонентами грунта, участвуя в различных физико-химических процессах (окисление, восстановление, растворение, биологические процессы). Большие скопления газов могут создавать поровое давление в грунтах и тем самым снижать их прочность; в ряде случаев прорыв газов в подземные выработки и основания насыпей являются причиной значительных деформаций грунта.

Содержится

1.В свободном состоянии
2.В адсорбированном состоянии
3.В защемлённом состоянии

В порах грунта

В воде, заполняющей поры

1.В виде мелких пузырьков
2.В растворённом состоянии

18

состав, строение, состояние и свойства грунтов, а также строительных материалов

Аварийное состояние зданий и сооружений

19

влияют на формирование состава, состояния и физико-механических свойств грунта.
свойства

состояние

облик

20

условиях естественного залегания,
так и в земляных сооружениях.

Дополнительные

Для глинистых - консистенция

Для песчаных – относительная плотность

22

основных породообразующих
минералов, а также для
расчёта пористости грунтов

Плотность грунта
ρ=mгр/Vгр= (mт+mп )/(Vт+Vп ) г/см
Зависит от объёма пор и степени заполнения
их водой.
Не даёт представления о состоянии грунта, т.к. при одной и той же пористости, но разной степени их заполнения водой, получаются разные значения плотности

определяется соотношением между объёмами твёрдых частиц, водой и воздухом (газом)

Плотность скелета грунта
ρd=mт/ Vгр=
mт/ (Vт+Vп )г/см
Используется для оценки истинной
плотности насыпных сооружений
с целью определения их
однородности по прочности,
сжимаемости, водопроницаемости

Определяется расчётом

Определяются опытным путём

Плотность наиболее типичных песчаных и глинистых грунтов
в естественных условиях залегания

3

3

3

24

n = Vп / Vгр.
n = 1-m = 1 - ρd/ρ
Vгр - изменяется при уплотнении
n - переменная величина

выражает физическое состояние песчаных и глинистых грунтов, т.е. плотность упаковки частиц.

Показатели

Коэффициент пористости – e
e = Vп / Vт = n/(1-n)
Vт - остаётся постоянным при уплотнении
e используется в расчётах
При полном насыщении пор водой
e = wρs

Показатели пористости и коэффициента пористости основных разновидностей
песчаных и глинистых грунтов

25

влажности, песчаные и глинистые грунты могут находиться в различном физическом состоянии в соответствии с которым (особенно у глинистых грунтов) изменяется их деформируемость, устойчивость, прочность.

Весовая влажность W.
Определяется высушиванием грунтов при постоянной температуре 105°С.
W=mв/mт, доли ед, %.
Влажность грунта при полном заполнении пор водой
соответствует его полной влагоёмкости Wп
Wп = n/ρs(1-n) = 1/ρd-1/ρs.
Wп = e0ρw/ρs.
Коэффициент водонасыщения Sr
(характеризует степень насыщения пор водой, отражает отношение естественной влажности к их полной влагоёмкости)
Sr = W/Wп =Wρs/eρв
Для маловлажных грунтов Sr = 0….0.5, влажных – 0.5…0,8, насыщенных – 0.8….1,0.

26

состоянию

WL - влажность, при которой грунт переходит
в текучее состояние

Определяет физическое состояние глинистого грунта и характеризует подвижность глинистых частиц при определённой влажности под воздействием внешних усилий

Число пластичности Iр —
разность влажностей, соответствующая
двум состояниям грунта: на границах -
текучести WL и раскатывания Wp.

Показатель текучести IL—
отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта (естественному W и на границе раскатывания Wp), к числу пластичности Ip.
IL =(W-Wр)/(WL-Wр)= (W-Wр)/ Iр

Wр

WL

Iр

1-7 - супесь
Iр 7-17- суглинок
>17- глина

В соответствии с
ГОСТ
25100-2011

27

=

-

материала для различных сооружений

Степень плотности (относительная плотность) песчаных грунтов Id
Id = (emax – e0) / (emax – emin),
emax - коэффициент пористости песка при самом рыхлом сложении;
emin – коэффициент пористости песка
при самом плотном сложении;
e0 – коэффициент пористости песка
естественного сложения.

Коэффициент уплотняемости песков
U = (emax – emin) / emax
Чем ближе этот показатель к 1, тем большей способностью к уплотнению обладает песок, т.е. больше может уменьшиться его
пористость при внешнем воздействии.

28

к воде и при инженерно-геологической оценке имеют важное значение.

водоустойчивость

влагоёмкость

капиллярность

водопроницаемость

Основные показатели

29

воду

Влагоёмкие - глины и суглинки

Невлагоёмкие (характеризуются
водоёмкостью) - пески, галечники, щебень

Промежуточное положение (супеси, пески мелкозернистые, тонкозернистые)

Способность грунта:

вмещать

удерживать

и

Полная
характеризует
влажность грунтов
при полном насыщении
пор водой

Молекулярная
характеризует способность грунтов
удерживать физически связанную воду
на поверхности минеральных
частиц или в межпакетных пространствах

Имеет значение - для песчаных и глинистых грунтов при оценке их степени увлажнения;
для глинистых – при оценке их гидрофильности;
для рыхлых несвязных – при решении
вопросов осушения, оценке возможных притоков воды в котлованы, подземные выработки

30

состава, характера структурных связей.
Показатели
используются при оценке: устойчивости и деформируемости оснований сооружений, откосов, подземных сооружений, земляного полотна дорог; грунтов как материала для плотин, насыпей, дамб и др.

Скорость и характер
размокания

Величина, сила и влажность набухания

Величина и влажность усадки

Содержание
водорастворимых
соединений и их состав

Капиллярность

Имеет значение: для характеристики мелко- и тонкозернистых песков, глинистых грунтов с целью определения их возможного чрезмерного увлажнения при неглубоком уровне залегания подземных вод или при его повышении; при оценке воздействия воды на подземные части сооружений.

Высота капиллярного поднятия
Зависит от высоты залегания грунтов над уровнем грунтовой воды. Образуется «капиллярная кайма», в пределах которой прочность грунтов меняется, что следует учитывать при оценке их устойчивости, а также может являться причиной их пучения.

31

на фильтрацию, а также дренажей, водопонижения и др.;
-осадок сооружений на глинистых грунтах во времени.

Коэффициент фильтрации Kф

Основной закон водопроницаемости
песчаных и глинистых пород – закон ламинарной (плоскопараллельной) фильтрации:
V = Q/F или Q = Кф×F×I
при F = 1 и I = 1
Кф = Q м/сут
Скоростное выражение коэффициента фильтрации
Q/F = V = Кф × I
при I = 1
V = Кф м/сут
Q – количество фильтрующейся воды, м /сут; F– площадь поперечного сечения грунта, м.
Учитывая, что агрегаты и частицы занимают часть сечения грунта,
действительная площадь фильтрации воды – Fдтогда, действительный коэффициент фильтрации – Кф.д. = Кф/n,
где n – пористость грунта в долях единицы.

3

3

2

32

уменьшаться
в объёме под действием нагрузки.
Закон уплотнения:
Изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально приложенному давлению.
dе = dσ (1+e0).
Е

Характеризуются
сопротивлением сдвигу τ –
показатель прочности, обусловленный трением между частицами и структурными связями между ними
φ-угол внутреннего трения грунта,
С – сцепление грунта.

Характерны
главным образом для относительно твёрдых полускальных и глинистых грунтов и проявляются при изменении напряжённого деформируемого состояния грунтов во времени в виде:
- ползучести (процесс изменения деформации во времени);
-релаксации напряжений (процесс уменьшения напряжений во времени при сохранении постоянной деформации);
длительной прочности грунта при
длительном действии нагрузки.
Параметры реологических свойств
различны.

33