1.3. Строительная классификация грунтов

Классификация грунтов необходима для объективного присвоения грунту одного и того же наименования и установления его состояния. Наименование и состояние грунта устанавливаются по его классификационным показателям.

Классификационные показатели применяются для отнесения грунтов к той или иной категории, чтобы предусмотреть в самых общих чертах поведение грунтов при возведении на них сооружений, а в отдельных случаях и установить возможность применения в расчетах тех или иных теоретических решений механики грунтов.

К классификационным показателям грунтов относятся гранулометрический состав (зерновой и минералогический, влажность) и характеристики физического состояния (плотность – для песчаных и консистенция – для глинистых). Эти показатели позволяют косвенным путем определять приближенно некоторые расчетные характеристики механических свойств грунтов, используя нормативные данные (СНиП).

По гранулометрическому составу крупнообломочным и песчаным грунтам в зависимости от крупности частиц присваивается то или иное наименование.

Для глинистых грунтов первостепенное значение имеет не общий зерновой состав, а содержание мелких и мельчайших частиц, размером менее

0,005 мм (пылеватых и глинистых) и, главное, диапазон влажности, в котором грунт будет находиться в пластичном состоянии.

Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100-95 « Грунты. Классификация» [9].

В нем установлены классификационные группы, разделяющие грунты на различные иерархические уровни (классы, группы, подгруппы, типы, виды, разновидности).

Классы выделяются по общему характеру структурных связей. В каждом классе по характеру связей выделяются группы грунтов (скальные, полускальные, связные, сыпучие). По происхождению и условиям образования грунты делятся на подгруппы; по вещественному составу – на типы; по напластованию (с учетом размеров частиц и показателей свойств) – на виды; по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры – на разновидности.

Так, дисперсные (нескальные) грунты по своему типу разделяются на минеральные (связные по виду – глинистые, несвязные – пески, крупнообломочные грунты), органоминеральные (связные – илы, сапропели и др.), органические (связные – торфа и др.). Дальнейшее разделение на разновидности происходит по зерновому составу, числу пластичности, показателю текучести и т.д.

Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду, разновидности происходит с помощью физических характеристик грунтов. Обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его механических (строительных) свойств.

Классификация крупнообломочных грунтов. Наименование типа крупнообломочных грунтов устанавливается по относительному содержанию частиц той или иной крупности в общей массе частиц. В зависимости от степени влажности различают три разновидности этих грунтов: маловлажные, влажные, насыщенные.

Классификация песчаных грунтов. Наименование песка устанавливается по его гранулометрическому составу (размеру частиц); плотность сложения – по коэффициенту пористости; степень влажности – по коэффициенту водонасыщения; степень неоднородности – по коэффициенту неоднородности. Наименование точно может быть установлено только по лабораторным исследованиям.

Классификация глинистых грунтов. Глинистые грунты классифицируются по числу пластичности Ј_р, которое коррелятивно связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц, и по показателю текучести Ј_l, характеризующему состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависящему от естественной влажности. При изменении показателя текучести в пределе от нуля до единицы грунты находятся в пластичном состоянии. Иногда к характеристике глинистого грунта добавляют значения коэффициента пористости, относительной просадочности и относительного набухания. Если в массе глинистого грунта содержится 15 – 25 % крупнообломочных частиц к наименованию грунта добавляется наименование этих частиц: (суглинок со щебнем). При содержании таких частиц от 25 до 50 % название грунта меняется на суглинок щебенистый.

Правильное наименование видов грунтов и всех характеристик их состояния имеет важное значение для решения таких вопросов, как выбор типа фундамента, методов улучшения свойств грунта, способов производства работ по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений [12, 3, 4, 6, 9].

Ниже приводится упрощенная классификация важнейших видов грунтов.

Скальные грунты. К скальным относятся грунты, состоящие из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного или цементационного типа.

Скальные грунты подразделяются на спаянные и сцементированные в зависимости от природы связи между кристаллами. В спаянных скальных грунтах эта связь осуществляется непосредственно между взаимно проросшими зернами минералов. В сцементированных частицы породы соединяются посредством твердого минерального вещества - естественного цемента, образование которого является вторичным по отношению к образованию самих частиц.

По происхождению скальные грунты подразделяют на изверженные (гранит, сиенит, диорит, базальт и т.п.), осадочные (песчаник, известняк, доломит, гипс, ангидрит и др.) и метаморфические (кварцит, мрамор, глинистые сланцы и др.), залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя [9, 21, 25, 28, 29, 31].

Для скальных грунтов типичны высокая прочность связей между минеральными зернами или их агрегатами, твердое состояние, сплошность, малая деформируемость под строительными нагрузками.

Практически эти грунты можно считать монофазными системами. состоящими из одной твердой фазы.

Грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа, называется полускальным. Сцементированные скальные грунты, как правило, слабее спаянных, их прочность зависит от вида цемента и типа цементации. Очень прочным будет кремнистый, менее прочным – глинистый цемент. Цементация будет слабой, если цемент связывает частицы, лишь в местах их контакта. Особое внимание обращают на способность скальных грунтов размягчаться в воде. К размягчаемым относят скальные грунты, у которых отношение пределов прочности при сжатии в водонасыщенном и воздушносухом состояниях менее 0.75. Основные разновидности скальных грунтов приведены в табл.1.1.

Таблица 1.1

Основные разновидности скальных грунтов

Грунты	Показатели
А. По пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии R, МПа Скальные: - очень прочные - прочные - средней прочности - малопрочные Полускальные: - пониженной прочности - низкой прочности	>120 120 - 50 50 - 15 15 - 5 5 - 3 < 3
Б. По коэффициенту размягчаемости в воде ksof,: - неразмягчаемые - размягчаемые	≥ 0,75  0,75
В. По степени засоленности полускальных грунтов, %: - незасоленные - засоленные	менее 2 2 и более
Г. По степени растворимости в воде для осадочных сцементированных грунтов, г/л: - нерастворимые - труднорастворимые - среднерастворимые - легкорастворимые	менее 0.01 0,01 - 1 1 - 10 более 10

Крупнообломочные грунты. Крупнообломочными называют несвязные минеральные грунты, в которых масса обломков горных пород размером крупнее 2 мм составляет более 50 %. К ним относят валунные (глыбовые), галечниковые (щебенистые), гравийные (дресвяные) грунты (табл.1.2).

Таблица 1.2

Классификация крупнообломочных грунтов

по гранулометрическому составу

Разновидность грунтов	Размер частиц, d, мм	Содержание частиц, % по массе
Валунный (при преобладании неокатанных частиц - глыбовый)	>200	>50
Галечниковый (при преобладании неокатанных частиц - щебенистый)	>10	>50
Гравийный (при преобладании неокатанных частиц - дресвяный)	>2	>50

Крупнообломочные грунты характеризуются хорошей водопроницаемостью, отсутствием или очень малой капиллярностью, их применяют в основном в качестве дренирующего материала или заполнителей в бетоне.

Крупнообломочные грунты, если они хорошо уложены и по условиям залегания не вызывают сомнений в их устойчивости на скольжение, являются надежными основаниями для многих сооружений. Их также применяют в качестве дренирующего материала в подстилающих слоях. Однако такие крупнообломочные грунты, как каменные осыпи, не пригодны для использования их в качестве оснований вследствие неустойчивости их на склонах. Кроме того, они крайне неоднородны по крупности и слабо уплотнены. Эти отложения бывают часто загрязнены глинистыми примесями. Прочность таких грунтов существенно уменьшается. Если крупнообломочные грунты залегают равномерным слоем, хорошо уплотнены и не содержат примесей, они являются хорошим основанием для сооружений.

Песчаные грунты. Пески представляют собой отложения несвязных минеральных частиц, масса которых размером от 2 до 0,5мм составляет более 50 %. Пески состоят преимущественно из зерен кварца, но в них могут находиться также частицы полевого шпата, слюды, роговой обманки и других минералов, которые ранее входили в состав разрушившихся горных пород. Большинство мелкозернистых песков относится к кварцевым. По своим свойствам пески приближаются к сыпучим телам.

В составе песчаных грунтов всегда содержится некоторое количество пылеватых частиц крупностью от 0,05 до 0,005 мм. Пылеватые частицы по своему минералогическому составу близки к песчаным и являются лишь более мелкой фракцией продуктов механического разрушения тех же материнских пород.

Иногда в песках содержатся и более мелкие частицы, их размер в поперечнике составляет менее 0,005 мм, называются они глинистыми. Однако содержание этих частиц небольшое и не превышает 3 % общего состава грунта по массе. В песках нередко содержатся примеси различных окислов железа, которые придают им красноватую или бурую окраску.

Основные разновидности песчаных грунтов приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Классификация песчаных грунтов

по гранулометрическому составу

Разновидность песков	Размер частиц, d, мм	Содержание частиц, % по массе
Гравелистый	>2	>25
Крупный	>0,50	>50
Средней крупности	>0,25	>50
Мелкий	>0,10	75
Пылеватый	>0.10	<75

По плотности сложения песчаные грунты классифицируются следующим образом (табл.1.4).

Таблица 1.4

Классификация песчаных грунтов по плотности

Пески	Плотность сложения
	плотные	средней плотности	рыхлые
По коэффициенту пористости e
Гравелистые, крупные и средней крупности	<0,55	0,55 – 0,70	>0,70
Мелкие	<0,60	0,60 – 0,75	>0,75
Пылеватые	<0,60	0,60 – 0,80	>0,80
По сопротивлению погружения конуса qc, МПа, при статическом зондировании
Гравелистые, крупные и средней крупности	>15	5 – 15	<3
Мелкие	>12	4 – 12	<4
Пылеватые: маловлажные и влажные водонасыщенные	>10 >7	3 – 10 2 – 7	<3 <2

По коэффициенту водонасыщения S_r крупнообломочные и песчаные грунты различают:

1. Малой степени водонасыщения 0 – 0,50;

2. Средней степени водонасыщения 0,50 – 0,80;

3. Насыщенные водой 0,80 – 1,00.

По условиям образования пески разделяют на морские, с тонкозернистым составом фракций; аллювиальные, с отсортированным составом своих отложений; ледниковые, представляющие собой грубый неотсортированный разнозернистый материал, и эолового происхождения - мелкие и тонкозернистые хорошо отсортированные пески. Пески, оставшиеся на месте первичных разрушений материнской горной породы, образуют отложения овражных песков. Этот вид песков характеризуется разнообразным составом частиц, имеющих неправильную форму и остроугольные края.

Пески обладают подвижностью. Особенно легкой подвижностью отличаются водонасыщенные тонкозернистые иловатые и слюдистые пески. Такие пески называют плывунами. Плывунами могут быть слюды пылеватые, морские, эоловые и аллювиальные пески. Плывуны, вследствие наличия в них коллоидов, при высыхании приобретают связность, а при взбалтывании в воде образуют суспензии. Они легко разжижаются при динамической нагрузке, что связано с проявлением тиксотропных свойств грунта. Поэтому

плывуны могут быть основанием для сооружений лишь в том случае, если возможность нарушения их структуры исключена.

В мелкозернистых песках может возникать подвижность в результате влияния фильтрационных токов воды. Их разжижение не связано с проявлением тиксотропных свойств грунта. Такие пески называют ложными плывунами. Они легче поддаются осушению, и их подвижность прекращается.

Глинистые грунты. К глинистым относят связные минеральные грунты, обладающие пластичностью. В глинистых грунтах, кроме зерен первичных минералов, содержатся в большом количестве глинистые частицы, которые имеют обычно пластинчатую и реже игольчатую форму и характеризуются весьма малыми поперечными размерами (менее 0,005 мм). Глинистые частицы представляют собой в основном вторичные минералы, образовавшиеся в результате выветривания первичных минералов. Для глинистых грунтов характерным является набухание при увлажнении и затвердевание при высыхании.

Глинистые грунты в зависимости от числа пластичности I_P подразделяются на глины (I_P > 17), суглинки (7 – 17), супеси (1 – 7).

Состояние по консистенции этих грунтов определяют по показателю текучести I_L, который характеризует степень пластичности глинистых грунтов (табл.1.5).

Таблица 1.5

Разновидности глинистых грунтов по величине показателя текучести I_L

Разновидность глинистых грунтов		Показатель текучести IL
Супеси	твердые	<0
	пластичные	0 - 1
	текучие	>1
Суглинки и глины	твердые	<0
	полутвердые	0 – 0,25
	тугопластичные	0,25 – 0,50
	мягкопластичные	0,50 – 0,75
	текучепластичные	0,75 – 1,00
	текучие	>1,00

Глины различного геологического возраста имеют разную плотность и отличаются прочностью межчастичных связей. Глины более древнего возраста прочнее пород, образовавшихся в более поздние периоды. Однако возможны случаи, когда породы одинакового геологического возраста оказываются различными по своим свойствам, если условия их образования были неодинаковыми. Бывают также случаи, когда нижерасположенные и более ранние по возрасту глинистые грунты оказываются вследствие быстрого образования структурных связей менее уплотненными, чем залегающие в верхних слоях.

Среди глинистых грунтов наиболее прочными являются валунные глины и суглинки, которые образовались в результате переработки и отложения обломочного материала разрушенных горных пород ледниками. Эти отложения получили название морен.

К озерно-ледниковым отложениям относятся ленточные глины. В отличие от моренных отложений ленточные глины недостаточно уплотнены и под нагрузкой от сооружений могут давать большие и неравномерные осадки. Такие глины относят к слабым грунтам. В условиях насыщения водой обнаруживается их склонность к текучести.

Лессовые грунты (лессы). Среди глинистых грунтов выделяются лессовые грунты (лессы, лессовидные суглинки), обладающие специфическими и неблагоприятными свойствами . В лессах преобладают пылеватые частицы (0,05 - 0,005 мм), количество которых может достигать 60 – 70 % по массе. Песчаные частицы крупнее 0,25 мм в них отсутствуют.

Лесс представляет собой малосвязную однородную тонкозернистую неслоистую и весьма пористую породу палево-желтоватого цвета, состоящую преимущественно из мельчайших частиц кварца, полевого шпата, слюды и примесей глинистых частиц, гидратов окиси железа и других минералов.[6, 7, 24, 25, 28], пронизанную тонкими вертикальными круглыми каналами, оставленными отмершими корнями растений.

Лессы эолового происхождения богаты (до 10 - 25 % и более) известью, гипсом. Известь в лессах встречается не только в виде цементирующих пленок, которые легко растворяются в воде, но и в виде округлых включений, называемых журавчиками.

В лессах много видимых глазом пор или макропор. Их количество достигает 1/3 и более общего объема пор. Эти грунты характеризуются большим содержанием относительно крупных вертикальных пор (канальцев). По этим каналам вода проникает в глубь толщи грунта. Увлажнение лесов приводит к растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, значительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения – просадками. Поэтому лессовые грунты называют просадочными.

Лессовидные суглинки сходны по свойствам с лессами, но они грубее на ощупь и содержат большее количество песчаных и глинистых частиц. Они менее пористы и меньше размокают. Просадочные свойства в них проявляются слабее, а в некоторых случаях вовсе отсутствуют.

Условиями, определяющими просадочные деформации этих грунтов при водонасыщении, являются малая водостойкость структурных связей между частицами грунта, высокая пористость, наличие уплотняющего напряжения, под действием которого разрушается существующая структура грунта.[1, 6, 7, 14, 24, 28, 31]. Механизм возникновения и развития просадочных деформаций в лессовидных грунтах связан с процессом разрушения цементационных связей между отдельными его частицами.

Просадочные деформации рассматриваются как процесс перехода лессовидных грунтов из недоуплотненного состояния в состояние нормальной плотности под влиянием инфильтрационного движения влаги [24].

Кроме лессов и лессовидных суглинков, просадочными свойствами при замачивании обладают и некоторые виды других глинистых грунтов.

Основными характеристиками просадочных свойств грунтов являются относительная деформация просадочности ε_sl , начальное просадочное давление P_sl и начальная просадочная влажность W_sl.

При предварительной оценке к просадочным обычно относят лессы и лессовидные грунты с коэффициентом водонасыщения Sr < 0,8, для которых величина показателя П, определяемого по формуле (1.17), меньше значений, приведенных в табл.1.6

П = (e_L–e) / (1+e), (1.17)

где e_L – коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе текучести W_L и определяемый по формуле

e_L = W_L γ_s / γ_w; (1.18)

Таблица 1.6

Число пластичности грунта	0.01 ≤ Iр < 0.10	0.01 ≤ Iр < 0.14	0.14 ≤ Iр < 0.22
Показатель П	0.10	0.17	0.24

Показатель П, определяемый по формуле (1.17), используется только для предварительного отнесения грунтов к просадочным.

Деформации просадки учитываются при величине относительной просадочности ε_sl ≥ 0,01.

Илы. Относятся к начальной стадии формирования глинистых осадочных образований. Илы представляют собой водонасыщенные современные осадки водоемов, содержащие органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса. В илах преобладают глинистая и пылевая фракции.

Они имеют влажность больше влажности на границе текучести (W ≥W_L), коэффициент пористости e ≥ 0,9, текучую консистенцию (J_L >1). Органические образования в илах составляют более 10 % массы [9, 21, 31]. Содержание частиц меньше 0,01мм составляет 30 – 50 %.

По числу пластичности и коэффициенту пористости илы подразделяются на супесчаные (e ≥ 0,8), суглинистые(e ≥ 1) и глинистые (e ≥ 1,5).

В естественных условиях илы находятся в текучем состоянии, при высушивании затвердевают Органическое вещество, содержащееся в илах, придают ему серую окраску и специфический запах. Илы залегают на дне водоемов или под торфом. Их толщина достигает 10 м и более.

Илы обладают ничтожным сопротивлением давлению. Они непригодны для использования в качестве естественного основания, а также непригодны для применения свайных фундаментов.

Гуминовые кислоты, содержащиеся в илах, вредно влияют на бетон сооружений и фундаментов. Илы обладают тиксотропными свойствами и могут легко разжижаться.

При строительстве на илистых грунтах применяют песчаные подушки и вертикальные дрены, которые облегчают отвод воды из толщи основания при его сжатии.

Набухающие грунты. К набухающим относятся глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов и малой влажностью в природном состоянии. Набухающие грунты отличаются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой (уменьшением объема) при высыхании [25].

Набухающие грунты характеризуются относительной деформацией набухания ε_sw, давлением набухания р_sw, влажностью набухания W_sw и относительной усадкой при высыхании ε_sh.

Относительная деформация набухания определяется по формуле

ε_sw = (h_sat – h_n) / h_n , (1.19)

где h_sat – высота образца грунта после свободного набухания, обжатого без возможности бокового расширения при полном водонасыщении;

h_n – первоначальная высота образца природной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения.

В зависимости от величины ε_sw, определенной без нагрузки, грунты подразделяются на следующие разновидности:

- ненабухающие ε_sw <0,.04;

- слабонабухающие 0,04 ≤ ε_sw ≤ 0,08;

- средненабухающие 0,08 ≤ ε_sw ≤ 0,12;

- сильнонабухающие ε_sw ≥ 0,12

За давление набухания P_sw принимается давление на образец грунта, замачиваемого и обжимаемого без возможности бокового расширения, при котором деформации набухания равны нулю.

За влажность набухания W_sw принимается влажность, полученная после завершения набухания образца грунта, обжатого без возможности боковых расширений заданным давлением.

Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного трения в случае свайных фундаментов. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружения. Некоторые грунты, не набухающие при их замачивании, приобретают свойство набухать при увлажнении их растворами солей. Это явление часто называют химическим набуханием.

Почвенно–растительные грунты. Грунты, богатые содержанием растительных веществ и остатков в виде перегноя, обладающие плодородием, называются почвами. Примерами таких грунтов являются многие виды современных почв и почвенные слои, погребенные в толще континентальных отложений. Почвы залегают на поверхности земли, толщина их незначительна. Они обычно проходятся при отрывке котлованов под фундаменты.

Почвы в толще основания обычно не являются препятствием к возведению сооружений. Они хорошо уплотнены, а содержание органических веществ в них мало. Их толщина незначительна. Почвы не могут служить основанием для возведения сооружений.

Насыпные и намывные грунты. Эти грунты созданы искусственно в результате инженерной деятельности человека. Такие грунты получили распространение в городах и в районах промышленных производств. Они состоят из насыпей и отвалов естественных грунтов, полученных при отрывке котлованов, проходке шахт, различных планировочных работах, отходов производства и свалок.

Для насыпных грунтов характерно большое разнообразие их состава и уплотненности. Они делятся на слежавшиеся - процесс уплотнения которых закончился, и неслежавшиеся, уплотнение которых продолжается.

Считают, что самоуплотнение насыпей от собственного веса завершается для песчаных грунтов в течение 2 лет, а для глинистых - через 5-7 лет. Для ускорения процесса их уплотнения производится уплотнение трамбовками [3, 25, 28].

По однородности сложения насыпные грунты подразделяют на планомерно возведенные насыпи, отвалы грунтов и отходы производств, свалки грунтов и бытовых отходов.

Хорошо уплотненные, планомерно возведенные насыпи из песчаных и глинистых грунтов толщиной 2-3 м, могут служить хорошим основанием.

Насыпи, образованные в местах свалок из строительного мусора и бытовых отходов, для использования в качестве оснований обычно не пригодны.

Особое место среди насыпных грунтов занимают планомерно возводимые насыпи. Они строятся по заранее разработанному проекту из однородных грунтов путем их отсыпки слоями с тщательным уплотнением или сооружаются намывным способом. В таких насыпях достигается однородное уплотнение грунта и обеспечивается равномерная его сжимаемость под нагрузкой. Периоды времени, необходимые для уплотнения насыпных грунтов от собственного веса, приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Периоды времени для самоуплотнения насыпных грунтов

Насыпные грунты		Период времени, необходимый для уплотнения грунтов, годы
Планомерно возведенные уплотненные насыпи из грунтов	песчаных	0,5 - 2
	пылевато-глинистых	2 - 5
Отвалы грунтов и отходов производств из	песчаных грунтов	2 - 5
	пылевато-глинистых грунтов	10 - 15
	шлаков, формовочной земли	2 - 5
	золы	5 - 10
Свалки из	песчаных грунтов, шлаков	5 - 10
	песчано-глинистых	10 - 30