Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Строительных специальностей вузов

Стр 1 из 16Следующая ⇒

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Ю.И. Соловьев, К.В. Королев

Ю.П. Смолин, А.М. Караулов

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНИК ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ СТУДЕНТОВ

СТРОИТЕЛЬНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ ВУЗОВ

НОВОСИБИРСК 2009

УДК 624.131

Соловьев Ю.И., Королев К.В., Смолин Ю.П., А.М. Караулов Мехника грунтов.: Учебник. — Новосибирск: 2009

Стр. 231. Табл. 26. Ил. 87. Библиогр.: 14 назв

Освещены основные положения механики грунтов. Рассмотрены физические и механические свойства грунтов, задачи определения напряжений и деформаций, теория устойчивости и основы теории фильтрационной консолидации грунтов. Дается представление о численных методах расчета в механике грунтов.

Ответственный редактор канд. техн. наук, проф. А.М. Караулов

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6

1. Предмет и задачи механики грунтов 10

1.1. Грунты и горные породы. Общая классификация грунтов 10

1.2. Основные задачи механики грунтов и связь с другими дисциплинами 12

2. Физические свойства грунтов 14

2.1. Составные части грунтов и их свойства 14

2.1.1. Грунт как многокомпонентная среда 14

2.1.2. Твердая фаза. Определение вида несвязных грунтов 14

2.1.3. Жидкая фаза 17

2.1.4. Газообразная фаза 19

2.1.5. Структурные связи в грунтах 20

2.2. Фазовые характеристики грунтов 21

2.2.1. Общие положения 21

2.2.2. Основные фазовые характеристики и методы их определения 43

2.2.3. Производные фазовые характеристики 23

2.2.4. Нормативные и расчетные значения фазовых характеристик 26

2.3. Пластичность и консистенция. Определение вида глинистых грунтов 27

2.4. Оптимальная влажность и максимальная плотность 30

2.5. Водопроницаемость грунтов. Закон Дарси 31

2.5.1. Закон Дарси и пределы его применимости

2.5.2. Гидродинамическое давление в грунтах. Суффозия и кольматаж

2.6. Особенности физических свойств мерзлых грунтов

3. Механические свойства грунтов

3.1. Общая характеристика поведения грунта под нагрузкой

3.2. Основные расчетные модели грунта

3.2.1. Модель линейно-деформируемого тела. Принцип линейной деформируемости грунта. Обобщенный закон Гука

3.2.2. Модель жесткопластического тела. Прочность грунта. Закон Кулона и условие прочности Кулона-Мора

3.2.3. Понятие об упругопластических и упруговязкопластических моделях грунта

3.2.4. Понятие о консолидирующемся грунте. Двухфазная модель грунта. Принцип эффективных напряжений Терцаги

3.3. Компрессионные испытания грунтов. Определение деформационных характеристик

3.4. Сдвиговые испытания грунтов. Определение прочностных характеристик

3.5. Ползучесть глинистых грунтов при сдвиге. Мгновенная и длительная прочность грунта

3.6. Стабилометрические испытания грунтов. Определение механических характеристик грунта

3.7. Особенности механических свойств структурно-неустойчивых грунтов

3.7.1. Просадочность грунтов

3.7.2. Особенности механических свойств мерзлых грунтов

3.8. Полевые методы исследования механических свойств грунтов

3.8.1. Общие сведения

3.8.2. Определение модуля деформации грунта методом штамповых испытаний

3.8.3. Прессиометрический метод определения модуля деформации

3.8.4. Определение сопротивления сдвигу методом лопастного среза (метод крыльчатки)

3.8.5. Статическое и динамическое зондирование

4. Теория линейно-деформируемой среды

4.1. Три фазы деформирования грунта по Н.М. Герсеванову

4.2. Постановка плоской и пространственной задач теории линейно-деформируемой среды

4.2.1. Пространственная и плоская задачи

4.2.2. Основные гипотезы

4.2.3. Постановка плоской задачи

4.2.4. Постановка пространственной задачи

4.3. О решении задач теории линейно-деформируемой среды

4.3.1. Цель решения задачи

4.3.2. Определяющие уравнения. Уравнение совместности

4.3.3. О методах решения задач теории линейно-деформируемой среды

4.3.4. Понятие о бытовых и дополнительных напряжениях

4.4. Задача о природном напряженном состоянии основания.

4.5. Плоская задача определения напряжений от внешних нагрузок

4.5.1. Задача о погонной нагрузке (задача Фламана, 1892 г.)

4.5.2. Задача о произвольной полосовой нагрузке

4.5.3. Задача о равномерной полосовой нагрузке (задача Мичелла, 1902 г.)

4.5.4. Задача о треугольной полосовой нагрузке

4.5.5. Задача о погонных нагрузках, приложенных на некоторой глубине внутри основания (задача Мелана, 1932)

4.6. Пространственная задача определения напряжений от внешних нагрузок

4.6.1. Задача о сосредоточенной силе (задача Буссинеска, 1885 г.)

4.6.2. Задача о произвольном нормальном давлении

4.6.3. Задача о равномерном давлении (задача Лява-Короткина 1929 г., 1938 г). Формула Шлейхера

4.6.4. Метод угловых точек

4.6.5. Задача о сосредоточенных силах, приложенных на некоторой глубине внутри основания (задача Миндлина, 1936 г.)

4.7. Практические методы расчета осадок оснований

4.8. Контактная задача

4.8.1. Модель основания Фусса-Винклера

4.8.2. Модель линейно-деформируемого основания

4.9. Первая критическая нагрузка по проф. Н.П. Пузыревскому, 1923

5. Теория устойчивости грунтов

5.1. Задачи и методы теории устойчивости

5.1.1. Основные задачи теории устойчивости

5.1.2. О методах решения задач теории устойчивости

5.2. Теория предельного равновесия грунтов. Несущая способность оснований

5.2.1. Основные гипотезы плоской задачи ТПРГ

5.2.2. Постановка плоской задачи

5.2.3. Каноническая система уравнений плоской задачи

5.2.4. Области простейших предельных состояний грунта

5.2.5. Несущая способность оснований (задача Прандтля, 1920 г.)

5.2.6. О построении осесимметричных решений ТПРГ

5.3. Устойчивость откосов и склонов

5.3.1. Предельная высота вертикального откоса

5.3.2. Предельное давление на невесомый откос

5.3.3. Равноустойчивый контур откоса

5.3.4. Расчет устойчивости откосов и склонов методами «отсеков»

5.4. Предельное давление грунта на ограждения

5.4.1. Активное давление грунта

5.4.2. Пассивное давление грунта

5.4.3. Определение активного и пассивного давления грунта методом плоских поверхностей скольжения (метод Кульмана)

5.4.4. Пример использования активного и пассивного давления для расчета устойчивости подпорной стенки

6. Основы теории фильтрационной консолидации грунтов

6.1. Общие положения теории

6.2. Решение уравнения одномерной теории фильтрационной консолидации грунтов

6.3. Уравнение двухмерной задачи теории фильтрационной консолидации

6.4. Задачи о сосредоточенной силе и водопроницаемых полосовых нагрузках

6.5. Расчет осадки в процессе фильтрационной консолидации с использо-ванием метода послойного суммирования

7. Применение численных методов в задачах механики грунтов

7.1. Метод численного интегрирования канонической системы уравнений ТПРГ

7.2. Решение задач теории фильтрационной консолидации методом конечных разностей

7.3. Основы техники вычислений методом конечных элементов

Литература
Введение

Механики грунтов - это отрасль науки, в которой изучаются физико-механические свойства грунтов и разрабатываются методы расчета устойчивости и деформируемости грунтовых массивов при действии на них как собственного веса, так и внешних нагрузок от инженерных сооружений. В механике грунтов рассматриваются преимущественно рыхлые горные породы коры выветривания литосферы. Формирование механики грунтов как самостоятельной дисциплины обусловлено особенностями внутреннего строения дисперсных пород, сложностью физико-механических свойств грунтов, а также разнообразием природных условий их залегания.

Эмпирический этап развития механики грунтов, процесс накопления практического опыта использования рыхлых горных пород в качестве оснований сооружений, имеет многовековую историю, неразрывно связанную с общей историей развития строительного производства. Создание специальных методов расчета, начало теоретической механики грунтов было положено в XVIII веке в работах Ш. Кулона (1773 г.), посвященных расчету давления грунта на подпорные стенки и формулировке закона прочности грунта.

В XIX веке был получен ряд основополагающих решений механики грунтов и опубликованы фундаментальные труды по исследованиям грунтовых оснований. Могографии М.С. Волкова «Об основаниях каменных зданий» (1840 г.), В.М. Карловича «Основания и фундаменты» (1869 г.), В.И. Курдюмова «О сопротивлении естественных оснований» (1889 г.) явились значительным вкладом в развитие научных методов фундаментостроения. В этот же период появились решения Ж. Буссинеска (1885 г.) и А. Фламана (1892 г.), которые легли в основу теории напряженного состояния в грунтах.

Научное представление о грунтах и их изучение как многофазных систем было успешно продолжено в XX веке. Обычно становление механики грунтов как природных дисперсных образований связывают с именем К. Терцаги и выходом в свет его книги «Строительная механика грунтов» в 1925 г. В исследованиях отечественных ученых Н.М. Герсеванова, В.А. Флорина и Н.А. Цытовича в 1920…1940-е годы были детально разработаны основные разделы механики грунтов. Идеи Н.М. Герсеванова представлены в его монографии «Основы динамики грунтовой массы». Систематическое изложение классической механики грунтов были впервые дано Н.А. Цытовичем в учебнике «Основы механики грунтов», изданном в 1934 г., и В.А. Флориным в двухтомной работе «Основы механики грунтов», изданной в 1959 … 1961 г. Теория напряженного состояния грунтов и уплотнения водонасыщенных глинистых оснований, представленные в указанных работах, были дополнены созданной В.В. Соколовским теорией предельного равновесия грунтов, данной в его монографии «Статика сыпучей среды» (1942 г.).

Во второй половине XX века появилось множество монографий, журнальных статей, посвященных уточнению и развитию определяющих физических уравнений состояния грунтов (например, работы Н.Н. Маслова, В.Г. Березанцева, К.Е. Егорова, МИ. Горбунова-Посадова, М.Н. Гольдштейна, Д.Д. Баркана, С.С. Вялова, Б.И. Далматова, З.Г. Тер-Мартиросяна, Ю.К. Зарецкого, М.В. Малышева, Ю.И. Соловьева, П.Л. Иванова, А.К. Бугрова, А.Б. Фадеева, В.Г. Федоровского и др). Для решения задач механики грунтов все шире стали использоваться теории пластичности и ползучести, применяться численные методы решения задач - метод конечных конечных разностей и конечных элементов. Появилось множество программ, позволяющих рассчитывать поведение оснований и конструкций как по классическим схемам, так и в более сложных постановках.

В учебнике изложены основные положения механики грунтов в соответствии с существующими учебными программами для специальностей «Мосты и тоннели» и «Строительство железных дорог». Особое внимание уделялось формулировке исходных положений основных теорий, постановкам задач и, главное, — их соответствию конкретным этапам работы грунта. Формульный аппарат приводится в расширенном виде также с учетом того, что сегодня большинство студентов владеет основами вычислительной техники и может самостоятельно составлять алгоритмы некоторых расчетов.

Учебник построен по традиционной схеме. Глава первая и вторая посвящена основам грунтоведения, в ней приводится подробная классификация грунтов и их физические свойства.

В третьей главе подробно излагаются методики определения деформационных и прочностных характеристик грунтов. Здесь же даются общие сведения об основных моделях грунтов и приводится детальное изложение основной теории прочности, применяемой в механике грунтов, - теории Мора-Кулона.

Четвертая глава посвящена вопросам расчета напряженного состояния грунтовых массивов по теории линейно-деформируемой среды. Общая постановка задач сопровождается необходимыми сведениями из теории упругости. Даются адаптированные решения базовых задач А. Фламана и Ж. Буссинеска. Изложены основы расчета деформаций грунта в основании как линейно-деформируемом полупространстве.

В пятой главе даны основы теории предельного равновесия грунтов. Решения задач теории предельного равновесия приведены в рамках математического аппарата, дающегося студентам строительных специальностей вуза, которые не изучают уравнений математической физики. В основном в учебнике даны методы решения плоских задач теории предельного равновесия. Коротко приведены основные положения осесимметричной задачи.

В шестой главе приведены основные уравнения теории фильтрационной консолидации, являющейся простейшим вариантом теории консолидации грунтов. Приведены решения одномерной и двухмерной задач теории фильтрационной консолидации.

Седьмая глава посвящена численным методам решения задач механики грунтов. Изложены методы численного интегрирования канонической системы уравнений теории предельного равновесия грунтов и задач фильтрационной консолидации методом конечных разностей. Приводится в простейшем виде техника вычислений задач геотехники методом конечных элементов. Авторы старались, чтобы изложение этого важного в настоящее время вопроса было как можно более доступным.

Следует отметить, что механика грунтов находится на стыке целого ряда наук. Большую часть теоретической механики грунтов можно рассматривать как науку, теснейшим образом связанную с «Механикой сплошной среды» и ее основными разделами - «Теорией упругости», «Теорией пластичности», «Теорией ползучести», «Гидродинамикой». Вопросы исследования физико-механических свойств оснований связывают механику грунтов с некоторыми разделами «Физики» и «Химии».

Особо следует выделить взаимосвязь Механики грунтов с циклом дисциплин «Тоннели и метрополитены», в которых рассматриваются многие смежные вопросы, но заостряется внимание в основном на работе конструкций подземных сооружений.

И, наконец, как уже отмечалось, механике грунтов должен предшествовать курс «Инженерной геологии», а сама механика грунтов является теоретической базой для важной инженерной дисциплины «Основания и фундаменты», многие положения которой используются в циклах дисциплин, завершающих подготовку инженера-строителя - «Строительство железных дорог», «Мосты», «Тоннели», «Строительные конструкции» и др.

При подготовке учебника ряд ценных предложений были высказаны профессором кафедры «Геология, основания и фундаменты» СГУПС канд. геол.-мин. наук С.И. Черноусовым и доцентом кафедры «Строительная механика» СГУПС канд. техн. наук В.В. Шушуновым. Авторы выражают им свою признательность.

1. Предмет и задачи механики грунтов

1.1 Грунты и горные породы. Общая классификация грунтов

Грунты - это любые горные породы или техногенные образования, залегающие с поверхности и используемые в инженерной деятельности человека.

Горная порода - встречающаяся в природе совокупность минералов.

Минерал - природное тело, однородное по химическому составу, внутреннему строению и физическим свойствам.

Минералы и горные породы изучают в курсе «Инженерной геологии», которая обычно предшествует дисциплине «Механика грунтов» на строительных факультетах технических вузов. Что касается непосредственно грунтов, то в геологии дается представление об их природе, условиях образования и физике происходящих в них процессов. «Механика грунтов» рассматривает грунтовые массивы и связанные с ними процессы, прежде всего, с позиций механики, отсюда и название дисциплины.

Грунты, как и горные породы, состоят из минералов. Различие в понятиях грунт и горная порода в основном терминологическое. Термин «горная порода» подразумевает изучение минералогического состава, генезиса, возраста, физико-геологических процессов, характерных для данной породы. Термин «грунт» означает, что исследуются его свойства как объекта строительства - прочность, деформируемость, а также вопросы теоретического анализа и прогноза поведения грунта под нагрузкой. Кроме того, как следует из определения, грунты могут быть техногенными, в то время как горные породы - это природные образования.

Существует различие и в классификации. Напомним, что горные породы делят по происхождению на три большие группы

- магматические, образовавшиеся в результате остывания магмы, либо лавы (гранит, базальт, вулканический туф);

- осадочные, образовавшиеся в результате выветривания, т.е. разрушения под действием экзогенных (внешних) факторов, ранее существовавших пород, переносе и отложении продуктов выветривания (песок, глина, песчаник, мел, торф);

- метаморфические, образовавшиеся в результате коренного преобразования ранее существовавших пород под действием эндогенных, т.е. внутренних факторов таких, как высокая температура, высокое давление и др. (мрамор, кварцит, кристаллические сланцы).

Грунты классифицируют, прежде всего, с позиций оценки их механических свойств и природы прочности связей между частицами, поскольку именно связи обычно определяют механические свойства грунта в целом. Всего выделяют четыре класса грунтов [11]:

- природные скальные;

- природные дисперсные;

- природные мерзлые;

- техногенные.

Природные скальные грунты характеризуются наличием прочных и жестких связей кристаллизационного (гранит, мрамор) или цементационного типа (песчаник, известняк). Эти грунты могут быть представлены магматическими, метаморфическими или осадочными сцементированными породами.

Природные дисперсные грунты либо обладают слабыми водноколлоидными связями (супесь, суглинок, глина), либо связи между частицами вообще отсутствуют (пески, щебень). По этому признаку их делят на связные и несвязные. Связи между частицами дисперсных грунтов характеризуются тем, что при водонасыщении они резко теряют свою прочность. Но даже в сухом или маловлажном состоянии они, как правило, на порядки слабее связей в скальных грунтах. Эти грунты представлены осадочными рыхлыми, т.е. несцементированными, и органогенными породами (торф, ил, почва). Дисперсные грунты еще называют нескальными.

Природные мерзлые грунты - это грунты, находящиеся при отрицательной температуре и имеющие криогенные связи, т.е. сцементированные льдом. Ясно, что мерзлые грунты также отличает по сравнению с дисперсными значительная прочность и малая деформируемость. Главная опасность при использовании мерзлых грунтов - это резкое ухудшение прочностных и деформационных свойств при оттаивании. Как следует из определения, мерзлыми могут быть любые породы при отрицательной температуре.

Техногенные грунты созданы, либо преобразованы человеком. Они могут быть скальными (естественные грунты, закрепленные твердеющими растворами), дисперсными (земляное полотно железных и автомобильных дорог) и мерзлыми (искусственно промороженные при проходке тоннелей слабые водонасыщенные грунты).

В механике грунтов преимущественно исследуются дисперсные грунты - природные или техногенные. Помимо малой прочности и значительной деформируемости для них характерен целый ряд других неблагоприятных с точки зрения инженера-строителя явлений - просадочность, морозное пучение, набухание и т.д. Вместе с тем, именно с дисперсными грунтами чаще всего приходится сталкиваться при строительстве железных дорог. Основные физико-механические свойства мерзлых грунтов также будут нами рассмотрены в соответствующих параграфах. Что касается скальных грунтов, то они являются предметом изучения специальной дисциплины «Механика скальных грунтов», имеющей важное значение для горной промышленности.

Таким образом, в дальнейшем для краткости дисперсные (нескальные) грунты мы будем называть просто грунтами, в противном случае будут сделаны соответствующие оговорки. При этом следует помнить, что понятие «грунт» является более широким согласно приведенным определениям и классификации.

Вопросы изучения работы грунтовых массивов ставятся инженерной практикой и определяются их взаимодействием с инженерными сооружениями. Введем два понятия, регулирующих отношения грунтов и сооружений.

Фундамент - подземная или подводная часть сооружения, воспринимающая нагрузку от сооружения и передающая ее на основание (рис. 1.1, а).

а)	б)	в)

Рисунок 1.1. - Грунты как основание (а), материал (б), среда для сооружений (в): 1 - основание, 2 - фундамент, 3 - сооружение на грунтовом основании (мост), 4 - сооружение, выполненное из грунта (железнодорожная насыпь),

5 - сооружение в грунтовой среде (тоннель).

Основание - часть грунтового массива, испытывающая воздействие от сооружения (рис. 1.1, а). Заметим, что основание не имеет четких границ, которые возможно определить лишь в конкретной задаче и в конкретном расчете.

По отношению к инженерным сооружениям грунты могут служить:

- основанием зданий и сооружений (рис. 1.1, а);

- материалом для возведения сооружений (рис. 1.1, б);

- средой, в которой возводятся сооружения (рис. 1.1, в).

Исторически сложилось так, что механика грунтов преимущественно рассматривает задачи, описывающие работу грунта по первым двум схемам. Третья схема, помимо механики грунтов, подробно исследуется в курсе «Тоннелей и метрополитенов».

1.2 Основные задачи механики грунтов и связь с другими дисциплинами

Задачи механики грунтов. Все многообразие проблем, рассматриваемых в механике грунтов, можно свести к следующим основным задачам:

1. Исследование физико-механических свойств грунтов, в том числе грунтов структурно - неустойчивых.

2. Определение напряжений и деформаций грунтовых массивов от действия собственного веса и в процессе нагружения внешними силами.

3. Определение прочности грунтов и устойчивости оснований сооружений.

4. Исследование реологических свойств грунтов и изменения напряженно-деформированного состояния во времени.

5. Исследование работы грунтовых массивов при динамических воздействиях.

Таким образом, механика грунтов занимается исследованием физико-механических свойств грунтов и разработкой математических методов описания поведения грунтов и связанных с ними явлений.

Связь механики грунтов с другими дисциплинами. Механика грунтов находится на стыке целого ряда наук.

Большую часть механики грунтов можно рассматривать как науку, теснейшим образом связанную с механикой сплошной среды и ее основными разделами - теорией упругости, теорией пластичности, теорией ползучести, гидродинамикой. Возникнув как строительная наука, механика грунтов использует аппарат и методы других инженерных дисциплин - Сопротивления материалов, Теоретической и Строительной механики. Вопросы исследования физико-механических свойств оснований связывают механику грунтов с некоторыми разделами физики и химии.

И, наконец, как уже отмечалось, механике грунтов должен предшествовать курс «Инженерной геологии», а сама механика грунтов является теоретической базой для важной инженерной дисциплины «Основания и фундаменты», многие положения которой используются в циклах дисциплин, завершающих подготовку инженера-строителя - «Строительство железных дорог», «Мосты», «Тоннели и ментрополитены», «Строительные конструкции» и др.

2. Физические свойства грунтов

2.1 Составные части грунтов и их свойства

2.1.1. Грунт как многокомпонентная среда

Грунты состоят из отдельных минеральных частиц различной крупности и состава. Однако минеральные зерна не занимают всего объема грунта, между частицами остаются пустоты, которые в совокупности образуют поровое пространство. В общем случае часть порового пространства занята поровой жидкостью, а другая часть - поровым газом.

Таким образом, грунт представляет собой трехкомпонентную или трехфазную среду, состоящую из

твердой фазы - минеральная часть или скелет грунта;

жидкой фазы - поровая жидкость, чаще всего вода;

газообразной фазы - газ в поровом пространстве, незаполненном водой.

В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Поскольку лед выделяют как самостоятельную составляющую (фазу), то мерзлый грунт является четырехкомпонентной или четырехфазной системой.

Физико-механические свойства грунта в целом зависят не только от свойств каждой фазы в отдельности, но и от количественного соотношения между ними, а также от их физико-химического взаимодействия. Соотношение между фазами во времени как при действии внешних нагрузок, так и при иных физических воздействиях не остается постоянным. В этой связи грунты рассматриваются как многокомпонентные динамические системы, а взаимодействие между компонентами и их агрегатами во многом определяет поведение грунтов.

2.1.2. Твердая фаза. Определение вида несвязных грунтов

Свойства твердой фазы (скелета грунта) зависят в первую очередь от крупности частиц, их минералогического состава и формы.

Гранулометрический состав. В природных грунтах размер зерен изменяется в очень широком диапазоне - от долей микрона до нескольких сантиметров. Совокупность частиц определенных размеров называют фракцией. В инженерной практике выделяют четыре основные фракции

крупнообломочную — размер частиц более 2 мм;

песчаную — размер частиц 2…0,05 мм;

пылеватую — размер частиц 0,05…0,005 мм;

глинистую — размер частиц менее 0,005 мм.

Дополнительно выделяют нередко и другие фракции, например, коллоидную с размером частиц менее 0,001 мм.

Процентное отношение выделенных в данном объеме грунта фракций к его общей массе называется гранулометрическим составом. Грансостав исследуют в основном двумя методами.

Содержание крупных фракций определяют ситовым методом, т.е. путем просеивания грунта через стандартные сита, имеющие отверстия определенных размеров. Взвешивая раздельно остатки грунта на ситах, получают массу каждой фракции, которые выражают в процентах к общей массе всех фракций.

Содержание мелких фракций, которые невозможно просеять, исследуется ареометрическим методом. Ареометрический метод основан на изменении плотности водной суспензии по мере выпадения из нее минеральных частиц. В стеклянный цилиндр, заполненный водой, засыпают пробу грунта и взбалтывают так, чтобы все частицы пришли во взвешенное состояние. Затем туда вертикально опускают ареометр - вытянутую стеклянную колбу с помещенным в нижнем конце грузом и нанесенной специальной шкалой. С течением времени происходит выпадение сначала крупных, а затем более мелких частиц грунта из суспензии в осадок, в результате чего уменьшается плотность суспензии, и ареометр постепенно погружается вниз. Включив в начале опыта секундомер, берут отсчеты по шкале ареометра через определенные интервалы времени. Диаметры частиц и их процентное содержание можно получить по специальным номограммам, составленным на основе решения Стокса о скорости выпадения частиц в жидкости.

В результате анализа - ситового и ареометрического - определяется количественное содержание в грунте всех фракций, выраженное в процентах по отношению к общей исследуемой массе. Результаты представляют либо в виде стандартной таблицы, либо графически в виде кривой гранулометрического состава грунта (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. - Общий вид кривой гранулометрического состава

По оси абсцисс откладывают диаметры частиц, по оси ординат проценты. Шкала диаметров принимается логарифмической, поскольку приходится иметь дело с числами в очень широком диапазоне - от 10^-3 мм до нескольких сантиметров. Точка на кривой грансостава показывает, сколько в грунте содержится частиц диаметром меньше данного (в процентах по массе). Так, точка A на кривой грансостава показывает, что частиц диаметром меньше 5 мм в грунте содержится 60%. Кривая грансостава всегда будет монотонной возрастающей.

Данные гранулометрического состава используются для определения разновидностей несвязных грунтов - крупнообломочных и песчаных - как показано в табл. 2.1. Здесь отличие валунов, галечника и гравия с одной стороны от глыб, щебня и дресвы с другой состоит в том, что первые грунты имеют окатанные частицы, а вторые - неокатанные, угловатые. По данной таблице подбор подходящего условия ведется сверху вниз, и выбирается первое удовлетворившее наименование.

Для связных (глинистых) грунтов - супесей, суглинков и глин - характерен свой гранулометрический состав, в частности, определенное содержание частиц глинистой фракции (табл. 2.2). Однако согласно действующим стандартам разновидности глинистых грунтов устанавливаются в первую очередь по числу пластичности (см. п. 2.4), а данные таблицы 2.2 носят вспомогательный характер.

По кривой грансостава можно также оценить однородность грунта. Чем круче кривая, тем однороднее грунт. Количественно это оценивается коэффициентом неоднородности (степенью неоднородности):

где d ₆₀ и d ₁₀ — диаметры частиц, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10% частиц грунта.

При грунт считается однородным, при — неоднородным.

Таблица 2.1. - Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

Разновидность грунтов	Размер частиц d, мм	Содержание частиц, % по массе
Крупнообломочные грунты
валунный (глыбовый)	> 200	> 50
галечниковый (щебенистый)	> 10	> 50
гравийный (дресвяный)	> 2	> 50
Песчаные грунты
гравелистый	> 2	> 25
крупный	> 0,50	> 50
средней крупности	> 0,25	> 50
мелкий	> 0,10	³ 75
пылеватый	> 0,10	< 75

Таблица 2.2. - Примерное содержание глинистой фракции в глинистых грунтах

Разновидность грунтов	Размер частиц d, мм	Содержание частиц, % по массе
Глинистые грунты
супесь	< 0,005	3…10
суглинок	< 0,005	10…30
глина	< 0,005	> 30

Минералогический состав также играет определенную роль, оказывая влияние на физико-механические свойства грунтов.

Крупные фракции, образовавшиеся в основном в результате физического выветривания (т.е. без изменения химического состава) из различных генетических типов скальных пород, по общим физическим и механическим свойствам мало отличаются друг от друга.

В то же время на мелкие частицы существенно влияет их минералогический состав. Так, присутствие в глинистых грунтах минерала монтмориллонит обеспечивает свойство набухания, т.е. увеличения грунта в объеме при замачивании. Это вызвано тем, что кристаллическая решетка монтмориллонита имеет подвижную молекулярную структуру, куда проникают молекулы воды, обуславливая тем самым указанное свойство. В результате строительные конструкции подвергаются дополнительному давлению до 0,5 МПа. Соответственно, при высыхании такие грунты дают усадку.

Кристаллическая решетка другого глинистого минерала - каолинита - имеет неподвижную молекулярную структуру, и грунты с большим содержанием каолинита практически не набухают.

Таким образом, молекулярная структура глинистых минералов создает различия в их взаимодействии с водой, второй составляющей частью любых природных грунтов.

Форма твердых частиц грунтов очень разнообразна: шарообразная, пластинчатая, листообразная и тонкоигольчатая. Не останавливаясь более подробно, скажем лишь, что крупные фракции диаметром более 0,05 мм имеют округлую или остроугольную форму, а мелкие и мельчайшие частицы глинистых грунтов - пластинчатую или игольчатую.

2.1.3. Жидкая фаза

Наличие жидкой фазы оказывает большое, часто определяющее влияние на свойства грунтов.

Выше отмечалось, что поровая жидкость преимущественно представлена водой. Вода может находиться в грунтах в парообразном, твердом или жидком состояниях. Вода в виде пара будет относиться к газообразной фазе, в виде льда - к твердой, четвертой фазе мерзлых грунтов. Иногда воду, входящую в состав молекул минерала (химически связанную), также рассматривают как воду в твердом состоянии. Здесь мы рассмотрим основные свойства воды в жидком состоянии.

Известно, что молекула воды представляет собой диполь, т.е. полярную молекулу с положительно заряженными ионами водорода и отрицательно заряженными ионами кислорода. В обычных условиях молекулы воды расположены хаотично, поэтому вода электрически нейтральна. При действии внешнего электрического поля происходит их поляризация, т.е. диполи воды ориентируются строго определенным образом.

В опытах установлено, что глинистые частицы в целом заряжены отрицательно, поэтому молекулы воды адсорбируются поверхностью минеральных частиц и образуют вокруг частицы сплошную гидратную оболочку (рис. 2.2). Суммарная величина электромолекулярных сил на поверхности частиц в единице объема будет зависеть, очевидно, от суммарной площади поверхности частиц в этом объеме. Ясно, что удельная поверхность частиц в глинах вследствие их размеров будет много больше, чем в песках, поэтому в единице объема глинистого грунта за счет адсорбции может содержаться на порядки большее количество воды.

Рисунок 2.2. - Виды воды в грунтах. 1 - твердая частица, 2 - прочносвязанная вода,

3 - рыхлосвязанная (пленочная) вода, 4 - свободная вода, 5 - катионы

Наибольшей интенсивности электромолекулярные силы достигают на расстоянии нескольких слоев молекул воды от поверхности частиц (несколько сотен МПа), а потом быстро убывают. В зависимости от интенсивности электромолекулярных сил поровую воду разделяют на несколько видов: прочносвязанную, рыхлосвязанную и свободную (рис. 2.2). Прочно- и рыхлосвязанную воду иногда называют физически связанной водой.

Прочносвязанная вода удерживается на поверхности частиц настолько сильно, что по своим свойствам приближается к твердому телу и как бы представляет с грунтовой частицей одно целое. Она в грунте практически не перемещается, обладает значительной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг (модуль сдвига приближается к модулю сдвига свинца). Температура замерзания прочносвязанной воды низкая (при t = -70°С остается незамерзшей 7% воды, полностью она замерзает при t = -195°С). Ее плотность также повышенная и достигает значения 1,4 г/см³.

Количество прочносвязанной воды, содержащееся в грунте при обычных давлениях и температуре, называют гигроскопической влажностью