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.

 

Примерный вид компрессионной кривой приведен на (рис.3).

 

Анализ характера изменения коэффициента пористости грунта при изменении уплотняющего давления позволяет сделать два важных вывода:

3. С увеличением уплотняющего давления (рi)коэффициент пористости (ei) уменьшается. При этом зависимость ei-pi имеет криволинейное очертание. 2. Остаточные деформации уплотнения значительно больше упругих.

 

Рис.3. Общий вид компрессионной кривой

 

Компрессионная кривая может быть так же построена в логарифмических координатах, (рис.4).

Рис.4. Компрессионная кривая в логарифмических координатах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В  этом  случае  она  представляет  собой  практически  прямую  линию  и  уравнение:

ei  = e0 - ak  × ln( pi ),

где ak  - коэффициент компрессии.

Однако применение в расчетах логарифмической зависимости процесса уплотнения грунта от нагрузки приводит к значительному усложнению расчетных моделей и по этому данное представление компрессионной кривой не нашло широкого практического применения.

 

Закон уплотнения

Уплотнение грунта при увеличении нагрузки происходит по нелинейному закону. Однако в диапазоне уплотняющего давления 100-500 кПа криволинейный характер зависимости ei-pi можно аппроксимировать прямой линией (рис.5). При этом погрешность с учётом данного допущения не окажет существенного практического влияния на результаты расчета грунтовых оснований.

 

Рис. 5. Аппроксимирование компрессионной кривой

 

Математическое представление прямой будет иметь вид:

ei = e0 – Pi × tg α

обозначим m0 = tg α, тогда

ei = e0 – Pi × m0

где m0 – коэффициент сжимаемости, определяемый экспериментально по графику.

M0 = (e1 – e2)/(P2 – P1)

mv – коэффициент относительной сжимаемости

mv = m0/1+e0

 

Модуль общих деформаций и методы его определения

Физический смысл

При изучении напряженно-деформируемого состояния грунта в сложных условиях (в каких и находится грунт оснований реальных зданий и сооружений) в качестве деформационной характеристики грунта применяют модуль общих деформаций Ео и коэффициент бокового расширения ν (коэффициент Пуассона).

Ν = ε┴/ ε║, где

ε┴ = ∆L/L0 , ε║ = ∆d/d0 - продольная и поперечная деформация

 

Определение Ео по данным компрессионных испытаний

Как уже известно, при испытании грунта в компрессионном приборе определяется. Используя обобщенный закон Гука и учитывая условия испытания грунта в компрессионном прибор, можно вывести зависимость между модулем общих деформаций Ео и коэффициентом коэффициент относительной сжимаемости mv.

Закон Гука:

σ = Е (модуль Юнга)× ε║

 

mv = ∆ ε║/∆Р

 

Понятие прочности грунта

Понятие прочности грунта связано  обеспечением:

- устойчивость грунтового основания фундамента (рис 6).

- устойчивости откосов (рис 7).

При потере устойчивости откосов оснований и обрушение откосов в грунтовом массиве происходит сдвиг одной части относительно другой, поэтому прочностные свойства грунта напрямую связаны с сопротивлением грунта сдвигу.

Сопротивление грунта сдвигу обусловливается возникновением в дисперсной грунтовой среде:

 

 

трения между частицами грунта;

 

- структурных связей между частицами грунта.

- трения между частицами грунта.

 

Трение между частицами грунта зависит от ряда факторов:

- минерального состава;

 

- грансостава;

- влажности грунта;

- величины нормальной силы прижимающей частицы друг к другу;

- окатаности зёрен.

В целом  сопротивление грунта сдвигу можно охарактеризовать:

 

силами трения;

- силами трения

- силами сцепления

 

Рис.6. Схема устойчивость грунтового основания фундамента

Рис. 7. Схема потери устойчивости откосов

 

 

 

 

 

 

 

Исследование прочностных свойств грунтов в лабораторных условиях выполняют при помощи сдвигового прибора. Принципиальная схема которого приведена на рис.8

 

Рис.8. Принципиальная схема сдвигового прибора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытание грунта производят при постоянной нагрузке N до тех пор, пока одна часть грунта не сдвинется относительно другой на расстояние более 5мм. При этом измеряют максимальное усилие max G , которое было достигнуто в ходе испытаний.

Нормальные и касательные напряжения в момент сдвига определяются следующим образом:

σ = N/A

τu = Gmax/A

τu – максимальное касательное напряжение в грунте в момент среза.

Испытания повторяют при других значениях обжимающего давления N.

 Параметры с и φ отражают прочностные свойства грунта и носят название прочностных характеристик.

Уравнение прямой линии с учетом прочностных характеристик можно записать в следующем виде:

τu = σ×tg φ + c

 

Значение величин с и  φ зависят от многих факторов. Наибольшее влияние на формирование прочностных свойств оказывают гранулометрический состав грунта, характер структурных связей, влажность грунта, окатанность частиц и т.д. Каждый тип, вид, разновидность грунта характеризуется своими прочностными свойствами.

Инженерно-геологический элемент

Рассмотрим иерархическую систему инженерно-геологических тел, начиная с низшей категории — инженерно-геологического элемента (ИГЭ). Инженерно-геологическим элементом следует считать инженерно-геологическое тело, представленное одной горной породой, статистически однородное по некоторому показателю свойств, выбираемому в каждом конкретном случае исходя из требований расчета того или иного инженерно-геологического процесса, который выполняют при проектировании сооружения.

Объем и конфигурацию ИГЭ устанавливают, учитывая геологические данные и данные о типе, конструкции и технической характеристике сооружения. Это определение уточняет понятие ИГЭ, предложенное Н. В. Коломенским. При расчете осадки сооружения (величины уплотнения геологической среды в его основании) активную зону СВ следует расчленить на инженерно-геологические элементы, т. Е. на инженерно-геологические тела, статистически однородные по модулю общей деформации — коэффициенту сжимаемости (рис. 9). При расчете фильтрации зона фильтрации должна быть разделена на ИГЭ, статистически однородные по величине коэффициента фильтрации.

Рис. 9 Структура зоны уплотнения (активной) сферы взаимодействия сооружения. 
1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески; границы: 5 — геологические, 6 — инженерно-геологических элементов, 7 — расчетных элементов (РЭ), 8 — зоны сферы взаимодействия

Внутри СВ обычно развиваются разные инженерно-геологические процессы, поэтому одни и те же области геологической среды могут быть разделены на различное число ИГЭ в разных зонах СВ в зависимости от инженерно-геологических процессов, расчет которых ведут при проектировании ПТС. ИГЭ, относящиеся к разным зонам, могут пересекаться в одной области геологического пространства, так как различные зоны СВ, выделяемые по инженерно-геологическим процессам, как правило, не граничат друг с другом, а пересекаются. Пересечение ИГЭ означает, что один и тот же объем геологической среды одновременно принадлежит к двум ИГЭ, выделенным по разным показателям свойств.

Таким образом, объем литосферы, включенный в ИГЭ, и требования к ее свойствам изменяются в зависимости от того, какое положение занимает ИГЭ внутри СВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 2. Инженерно-геологические процессы

 

1. Классификация процессов

 

Геодинамическая обстановка – совокупность природных геологических и антропогенных инженерно-геологических процессов и созданных ими явлений.

Особенности геодинамической обстановки могут существенно влиять на:

- на устойчивость сооружений;

- выбор места для строительства;

- условия жизни людей и т.п.

Инженерно-геологическими процессами и явлениями называются современные геодинамические процессы и явления в горных породах, вызванные инженерной деятельностью человека.

Процесс в горных породах – это то, что приводит горные породы в движение, меняет их состояние, строение, состав и свойства и предопределяет формирование новых генетических типов отложений, новых форм рельефа на поверхности и внутри массива. 

Явление – это результат процесса (тип пород, форма рельефа).

Процесс и явления неразделимы.

При оценке геодинамической обстановки необходимо знать причины того или иного процесса.

Причина процесса – геологическая деятельность природных факторов и человека. Основными причинами могут быть: действие агентов выветривания, деятельность поверхностных, деятельность подземных вод, совместное воздействие подземных и поверхностных вод, действие гравитационных сил, деятельность ветра, промерзание и оттаивание грунтов, действие внутренних сил в породах, действие внутренних сил Земли, инженерная деятельность человека.

Условия и факторы –это то, что предопределяет и способствует проявлению процессов, либо сдерживает их проявление. Факторами являются основные компоненты ИГУ: геологические условия (горные породы), гидрогеологические, геоморфологические условия, геологические и инженерно-геологические процессы, а также тектоника и неотектоника. Условиями следует считать важнейшие из факторов.

Современные геологические и инженерно-геологические процессы и явления: выветривание, карст, сели, оползни, обвалы, просадочные явления в лессовых породах, овраги, болота и заболоченные земли, суффозия, эоловые процессы, плывуны, землетрясения, речная эрозия, осыпи и др.

 

 

Выветривание.

 

Выветривание – это совокупность процессов физического, химического, биологического разрушения, разложения магматических, метаморфических, древних осадочных пород на поверхности земной коры или вблизи нее, формирующих исходный материал для образования осадков, осадочных пород и остаточные образования, слагающие коры выветривания.

Выветривания бывают: физическое, химическое и органическое (биологическое).

Физическое выветривание – механическое дробление пород почти без изменения их минералогического состава. Это происходит в результате колебания температур, замерзания воды, ударов переносимых ветром песчинок, кристаллизации солей в капиллярах, давления от роста корневой системы растений и т.д.

Весьма интенсивно выветриваются наружные части зданий и сооружений, особенно в местностях с сухим резко континентальным или холодным климатом.

Химическое выветривание изменяет состав пород. Активные реагенты – вода, кислород, углекислота и органические кислоты.  
Примерами химического выветривания служат растворение в воде каменной соли и гипса, переход ангидрита в гипс (CaSO4 +2H20 = CaSO4 .2H2O) с резким увеличением объема (до 50-60%), что вызывает разрушительное давление на окружающие породы.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений и играет ведущую роль в образовании почв. Породы дробятся и разрушаются органическими кислотами при отмирании растений. Корни деревьев расщепляют даже скальные грунты, а бактерии поглощают одни вещества и выделяют другие.  
При выветривании пород изменяются их физико-механические свойства, снижается устойчивость оснований сооружений, возникают откосы, подземные выработки и т.д.

Элювий (элювиальные отложения) (лат. Eluo — «вымываю») — рыхлые геологические отложения и почвы, формируемые в результате выветривания поверхностных горных пород на месте первоначального залегания или в результате выветривания и последующей аккумуляции его продуктов под действием силы тяжести.(рис .9.)

Элювиальные отложения формируются на горизонтальных или слабонаклонных поверхностях.

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Элювий – Э

 

 

Карст (процесс, горные породы, формы рельефа

Карст – совокупность специфических форм рельефа и особенностей наземной и подземной гидрографии, свойственной областям, сложенным растворимыми горными породами (каменная соль, гипс, известняк, доломит и др.). Сущность карстовых процессов заключается в растворении породы атмосферными, талыми, подземными, а в отдельных случаях и морскими водами.