 |
Состав грунтов. Закон фильтрации. Структура и
|
|
|
|
Структурные связи в грунтах
Наиболее сложными по своим свойствам являются дисперсные (раздробленные) грунты. Обычно они содержат три составные части (фазы) – минеральную (твердые частицы), жидкую (вода) и газообразную (воздух, водяной пар, другие газы). Мерзлые грунты содержат также лед. Полностью водонасыщенный грунт считают двухфазной системой (грунтовая масса).
В дисперсных грунтах выделяют прочносвязанную (гигроскопическая), рыхлосвязанную (пленочная) и свободную (гравитационная и капиллярная) воду. Связанная вода существенно влияет на свойства глинистых грунтов и практически отсутствует в песчаных. Перемещение пленочной воды называется миграцией. Гравитационная вода перемещается (фильтрует) во всех грунтах под действием разности напоров. Для большинства грунтов выполняется закон ламинарной фильтрации Дарси в виде
, (1.1)
где J = H/ℓ - гидравлический градиент;
Кф – коэффициент фильтрации 
.
Из (1.1) К ф - это скорость фильтрации при J =1.
В плотных глинистых грунтах фильтрация затрудняется оболочками связанной воды; считают, что фильтрация в них начинается лишь по достижении некоторого начального градиента напора J n. Уравнение (1.1) при этом принимает вид: 
, где J n – начальный градиент.
Значения К ф и J n определяются экспериментально.
Капиллярная вода удерживается в порах грунта за счет сил поверхностного натяжения. Высота капиллярного поднятия в грунтах растет с дисперсностью, составляя от 3…5 см в крупных песках до нескольких метров в глинистых грунтах.
Под структурой понимаются размеры, форма, характер поверхности минеральных частиц грунта и характер связей между ними. Последние называются структурными связями и определяют прочность связных грунтов.
|
|
|
В пылевато-глинистых грунтах различают структурные связи:
1) Водно-коллоидные, зависящие от сил электромолекулярного взаимодействия между поверхностями твердых частиц и их водными оболочками. Эти связи пластичны и обратимы.
2) Кристаллизационные связи, возникающие вследствие кристаллизации на поверхности частиц различных соединений из поровых растров. Это связи хрупкого типа и они практически необратимы.
Характеристики физических свойств грунтов
И классификации по ним
В механике грунтов используются следующие основные физические характеристики, определяемые опытным путем:
– плотность грунта 
, т/м3;
– плотность частиц грунта 
, т/м3;
– влажность 
,
где m - масса в некотором объеме грунта V;
ms и V s – масса и объем твердых частиц в некотором объеме грунта V;
m wи V w – масса и объем воды в некотором объеме грунта V.
По эти характеристикам рассчитывают производные показатели:
- плотность сухого грунта 
; 
;
– пористость 
,
где 
– объем пор в рассматриваемом объеме грунта V;
– коэффициент пористости
; (1.2)
– степень влажности: 
,
где 
– плотность воды.
В расчетах часто используются не плотности, а удельные веса, рассчитываемые умножением плотности на ускорение свободного падения. Соответственно имеем удельный вес грунта 
, частиц 
и сухого грунта 
:
; 
; 
.
Например, если 
, то 
.
Если принять объем грунта 
= 1 м3, то для него по смыслу пористости n – объем пор, а 1 – n = m – объем твердых частиц. Разрешая (1.2) относительно n, получаем: 
.
Тогда объем твердых частиц
(1.3)
Грунт, залегающий ниже уровня подземных вод, испытывает взвешивающее действие воды. При этом вес твердых частиц уменьшается на вес вытесненной ими воды, т.е. на величину 
. Принимая m по (1.3), получаем: 
.
Для большинства грунтов значение 
близко к 10 кН/м3.
Для глинистых грунтов наряду с влажностью важным является понятие консистенции, характеризующее степень подвижности грунта. Консистенция может быть твердой, пластичной и текучей. Влажности, соответствующие границам между этими состояниями, называются пределами пластичности или раскатывания WP (граница между твердым и пластичным состояниями) и текучести WL (между пластичным и текучим).
|
|
|
Разность этих пределов называется числом пластичности 
Число пластичности тесно связано с содержанием в грунте глинистой фракции и поэтому используется в классификации:
JP ≤ 0,07 - супесь, 0,07 < JP ≤ 0,17 - суглинок; JP > 0,17 – глина.
Состояние грунта удобно характеризовать показателем текучести 
:
. (1.4)
Из (1.4) видно, что при 
< 
< 0 и консистенция твердая; при > 
> 1 и консистенция текучая. Для суглинков и глин изменение их свойств в интервале 
очень существенно и для них в указанном интервале пластичной консистенции состояния детализируются:
< 0,25 – полутвердое; 
<0,5 – тугопластичное; 
<0,75 – мягкопластичное; 
– текучепластичное.
Для супесей, у которых число пластичности мало, во всем интервале остается одно название: супесь пластичная.
Для песчаных грунтов очень важно состояние по плотности сложения: плотное, средней плотности, рыхлое. В последнем состоянии грунт дает большие деформации, особенно при динамических воздействиях.
Имеющиеся опытные данные по отдельным разновидностям песчаных грунтов позволяют установить состояние по плотности с помощью табл. 1.1.
Более объективно плотность сложения по значению 
можно установить, если данный грунт подвергнуть максимально рыхлой укладке и максимально плотной, определив соответственно 
и 
. Тогда, зная для естественного сложения, можно определить относительную плотность или индекс плотности 
Таблица 1.1
| Грунты | Плотность сложения при коэффициенте пористости | ||
| плотные | средней плотности | рыхлые | |
| Пески гравелистые, крупные и средней крупности | <0,55 | От 0,55 до 0,70 включ. | >0,70 |
| Пески мелкие | <0,60 | От 0,60 до 0,75 включ. | >0,75 |
| Пески пылеватые | <0,60 | От 0,60 до 0,80 включ. | >0,80 |
. (1.5)
При 0< 
– песок рыхлый; при 0,67< 
– плотный и при 0,33< 
– средней плотности.
Наиболее надежно плотность устанавливается статическим или динамическим зондированием.
|
|
|
Для песчаных грунтов, особенно мелких и пылеватых, на строительные свойства влияет коэффициент водонасыщения 
. В зависимости от пески разделяются на малой степени водонасыщения (
), средней степени водонасыщения 0,5< 
и насыщенные водой >0,8.
По характеристикам физического состава и состояния можно определить условное расчетное сопротивление грунта 
, интегрально характеризующее строительные свойства грунта как основания.
Для песчаных грунтов достаточно знать полное наименование грунта и плотность (табл. 1.2), а для пылевато-глинистых – название, значения и (табл. 1.3).
Таблица 1.2
|
|
|
