книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

цам грунта, составляющим стенки капилляра, в уровне мени­ сков оказывается приложено сжимающее давление такой же вели­ чины рх.

В не полностью водонасыщенных грунтах образуется капилляр­ но-стыковая вода, которая сосредотачивается вблизи контактов соприкасающихся частиц (рис. 1.5, б). В этом случае на границах воды и газа также образуются мениски, в воде возникают рас­ тягивающие напряжения рх, передающие сжимающие напряжения на частицы. В результате по всему объему влажного грунта созда­ ется всестороннее сжатие.

Сложное и разнообразное взаимодействие твердых частиц грун­ та с водой очень сильно влияет на свойства грунта. Например, замерзание глинистых грунтов происходит постепенно при пониже­ нии отрицательной температуры: сначала в лед переходит свобод­ ная вода, затем периферийные и, наконец, более глубокие слои рыхлосвязанной воды. Фильтрация свободной воды в грунте воз­ никает сразу же после появления разности напоров. Однако для перемещения слоев даже рыхлосвязанной воды требуется приложе­ ние тем больших силовых воздействий, чем ближе эти слои находят­ ся к поверхности частиц. В то же время, если по каким-либо причинам, например из-за перепада температуры в зоне замерзания грунта, соседние частицы будут иметь разные по толщине слои связанной воды, возможно возникновение м и граци и — перемеще­ ние связанной воды из более толстых пленок в более тонкие. Если 4 зона замерзания грунта соединена капиллярной водой с уровнем подземных вод, то объем воды, подтягиваемой в зону замерзания, может быть весьма значительным.

Можно было бы привести и другие многочисленные примеры, которые будут рассмотрены в соответствующих частях курса. Здесь важно отметить, что знание физико-химических особенностей вза­ имодействия твердых частиц с водой в грунте позволяет не только объяснить многие важные особенности поведения грунта, но и раз­ работать важные для практики строительства инженерные меропри­ ятия.

Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже — азотом, метаном, сероводородом и другими га­ зами. Необходимо подчеркнуть, что метан, сероводород, угарный газ ядовиты и могут содержаться в грунте в концентрациях, опас­ ных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках. Интенсивность газообмена между атмосферой и грунтом зависит от состава и состояния грунта и повышается с увеличением содержа­ ния и размеров трещин, пустот, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.

22

Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на незащемленный, сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящий­ ся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчай­ ших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится то или иное количество растворенного газа. Повышение давления или по­ нижение температуры приводит к увеличению количества раство­ ренного газа.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде га­ за существенно сказывается на свойствах грунта й протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки кот­ лована или извлечения образца грунта на поверхность может при­ вести к выделению пузырьков газа и разрушению природной тек­ стуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагруз­ ки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

При подтоплении территории подземными водами в обводнен­ ном грунте на многие годы, если не на десятилетия, задерживается защемленный газ. Это имеет большое значение, в частности, при сейсмическом микрорайонировании. На обводненных грунтах сейс­ мическая балльность выше. Защемленный воздух поднимает ее дополнительно, так как снижает скорость прохождения сейсмиче­ ских волн.

Итак, грунт состоит из твердой, жидкой и газообразной ком-

.понент. В каждой из трех компонент, чаще в малом и незначитель­ ном, а иногда и в существенном количестве содержатся микроор­ ганизмы. Из всех составляющих грунта наиболее стабильной явля­ ется твердая компонента. Жидкость (вода) при отрицательных тем­ пературах переходит в твердое состояние (лед), может истекать, испаряться. Газ при перемене условий растворяется, вытесняется жидкостью или другими газами. Очевидно, свойства грунтов зави­ сят от состава, состояния и взаимодействия слагающих его ком­ понент.

1.3.Форма, размеры и взаимное расположение

частиц в грунте

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального ве­ щества, образует как бы каркас, скелет грунта. Поровая вода и газ как сплошная среда располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Уг­ ловатая форма характерна для мельчайших кристаллов, которые не

23

округляются при соударениях из-за их исключительно малой массы и значительной прочности. Среди крупных обломков выделяются угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий).

Для удобства классификации частицы, близкие по крупности, объединяются в определенные группы (гранулометрические фрак­ ции), которым присваиваются соответствующие наименования (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Классификация частвд груита D O размерам

Природные грунты состоят из совокупности частиц разного размера. Пожалуй, только морские отложения бывают хорошо отсортированы: на песчаном морском пляже встречаются либо крупнообломочные, либо песчаные частицы. Речные пески значите­ льно менее отсортированы. Здесь можно встретить не только песча­ ные, но и глинистые частицы. Еще более неоднородны грунты ледникового происхождени.

В зависимости от соотношения в грунте частиц того или иного размера они разделяются на: крупнообломочные, песчаные (табл. 1.2) и глинистые грунты.

Глинистые грунты в зависимости от содержания в них глинис­ тых частиц иногда подразделяют на супеси —: 3...10%, суглинки — 10...30%, глины — более 30%. Однако даже в лаборатории опреде­ лить содержание глинистой фракции сложно, поэтому практическая классификация глинистых грунтов основана на их пластичности (см

§2.2).

Гранулом етрический (зерновой) состав грунта является одной из важнейших его характеристик. Он выражается кривой гранулометрического состава — интегральной кривой распределе­ ния зерен грунта по размеру (рис. 1.6). На графике наглядно видна

24

неоднородность грунта по структуре. Чем более неоднородным является грунт, тем более пологой будет кривая его состава. Для численного выражения неоднородности крупнообломочных и песча­ ных грунтов используется показатель Си, называемый степенью неоднородности:

где d № и d i0 — диаметры частиц, меньше которых в данном грунте содержится (по массе) соответственно 60 и 10% частиц.

Т аб л и ц а 1.2. Тниы крупнообломочных н песчаных грунтов

Чем ближе степень неоднородности к единице, тем более одно­ родным по гранулометрическому составу является грунт. При Си> 3 грунт называют неоднородным .

Скальные грунты, как и нескальные, также состоят из зерен минералов и обломков горных пород. Однако частицы в скальном

25

вполне характеризуют структуру грунта. Взаимное расположение частиц в грунте, его текстура определяются условиями образования. Так, морские пески, уплотненные вибрационным воздействием штормовых волн, имеют значительно более высокую плотность, чем аллювиальные (речные) или эоловые пески, которые отличают­ ся более рыхлым сложением.

Особое значение имеет текстура глинистых грунтов. Например, глинистые, плоские по форме частицы могут образовывать текстур­ ные агрегаты, подобные «карточному домику» (рис. 1.7, а). Между частицами в этом случае имеются открытые ячейки размером от 2...3 до 10...12 мкм. Глинистые грунты с ячеистым сложением — наиболее рыхлые, сппьносжимаемые (илы и илистые групты). Те же частицы могут оказаться соединенными в агрегаты, подобные пач­ кам листов бумаги. Если эти агрегаты стыкуются между собой по типу «торец — плоскость», то они образуют текстуру типа «книж­ ный домик» (рис. 1.7, б). Если же они ориентируются параллельно и контактируют плоскими поверхностями, то образуется стопочная текстура, наиболее плотная и прочная текстура глинистого грунта (рис. 1.7, в).

Текстура грунта зависит от условий его формирования и геоло­ гической истории, в ходе которой грунт претерпел различные преоб­ разования. Интересный пример пред­ ставляют собой древние (протерозойс­ кие и кембрийские) глины, распростра­ ненные на северо-западе Русской плат­ формы. Они образовались в морских условиях. Их минеральный состав и зер­ нистость весьма постоянны на боль­ ших площадях в Ленинградской, Нов­ городской, Вологодской областях. Под Санкт-Петербургом глины были пере­ крыты палеозойскими отложениями мощностью до 350 м, которые создали давление до 7 МПа. Позже эти отложе­ ния были смыты, глины разрушены, а затем вновь нагружены ледником, который создал давление предположи­ тельно до 9 МПа. После отступления ледника глины под тонким покровом четвертичных отложений находятся под нагрузкой 0,1...2 МПа. Рассматри­ ваемые отложения под Санкт-Петербур­ гом (кембрийские глины) за сотни мил­ лионов лет приобрели очень высокую

плотность и малую влажность.

26

Те же отложения за то же время под Вологдой испытали значи­ тельно большие нагрузки от вышележащих пород. В мезозое давле­ ние на них составляло 40 МПа, в ледниковое время увеличилось до 50 МПа, а теперь вновь снизилось до 40 МПа. В результате глины

здесь превратились в аргиллиты — плотную сланцеватую полу­ реальную породу.

Формирование песчаных и особенно глинистых грунтов в ходе геологической истории сопровождается многократным изменением нагрузки (уплотнением, разуплотнением). Вследствие этого в насто­ ящее время рядом при одной мощности залегания могут суще­ ствовать рыхлые современные и плотные древние отложения. Тако­ вы, например, на территории Санкт-Петербурга (залегающие вбли­ зи поверхности) сходные по составу илистые четвертичные отложе­ ния и упомянутые выше кембрийские глины.

Таким образом, природные грунты могут быть переуплотнен­ ными, когда под влиянием существовавших ранее нагрузок они подвергались значительному уплотнению, а затем эти нагрузки были сняты; норм ально уплотненными, когда нагрузка пример­ но соответствует плотности грунтов, и недоуплотненными, ког­ да их пористость намного больше, чем действующая от вышележа­ щих слоев грунта нагрузка.

Недоуплотненные грунты могут находиться в процессе постепен­ ного уплотнения (консолидации), например молодые водные осад­ ки, или в стабильном состоянии за счет высокой прочности струк­ турных связей между частицами — лёссовые грунты.

1.4.Структурные связи между частицами грунта

Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называют­ ся структурны м и связями.

По своей природе и по прочности они очень различны. Из-за высокой прочности самих частиц именно связи между частица­ ми определяют деформируемость и прочность грунтов. Громадное значение имеет то, что некоторые типы связей легко разрушаются прд различных воздействиях на грунты в ходе строительства и экс­ плуатации сооружений. Вопрос о природе связей, способах их со­ хранения и упрочнения является важнейшим вопросом грунтоведе­ ния.

Образование структурных связей — длительный процесс, разви­ вающийся на протяжении всей истории формирования и видоиз­ менения горной породы. Скальным грун та присущи жесткие кри­ сталлизационны е связи, энергия которых соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов. По­ этому блоки слаботрещиноватых скальных пород обладают очень высокой прочностью и малой деформируемостью. При разрушении

27

кристаллизационные связи не восстанавливаются — блоки поро­ ды расчленяются трещинами на отдельные камни. Снижение про-, чности и увеличение деформируемости скальных грунтов в условиях естественного,залегания обусловлено прежде всего их трещиновато­ стью.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделя­ ются на связны е и несвязные (сыпучие). К связным относятся глинистые грунты (супеси, суглинки, глины); к сыпучим — крупно­ обломочные и песчаные грунты.

Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряжения, поэтому в них возможно существование вертикальных откосов небольшой высоты. Сыпучие грунты растягивающих на­ пряжений не воспринимают и создание в них вертикальных откосов без укрепления невозможно.

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грун­ тов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей и зацепления между неровностями этих поверхностей. Эти силы тем больше, чем менее окатаны зерна в грунте (рис. 1.8). Такой меха­ низм связи между частицами сыпучих грунтов называют вн утрен ­ ним трением грунта. При очень малом водонасыщении в пыле­ ватых и мелких песках могут возникать слабые силы связности между частицами из-за капиллярного давления в контактах. Однако при увеличении водонасыщения они исчезают и практического зна­ чения не имеют.

Структурные связи в глинистых грунтах имеют значительно более сложную природу и определяются электромолекулярными силами взаимного притяжения и отталкивания между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Такие связи называют­ ся водно-коллоидны ми . Они и обусловливают связн ость гли ­ нистых грунтов. Интенсивность этих связей зависит от расстоя­ ния между частицами, зарядов на их поверхности, состава и содер­ жания ионов в поровой воде.

В слабо уплотненных водных осадках глинистых грунтов при большом расстоянии между частицами и при наличии свободной воды из-за сил молекулярного притяжения между твердыми тела­ ми-частицами возникают слабые структурные связи. Уплотнение грунта приводит к сближению частиц и усилению этих связей. При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами начинают проявляться отталкивающие силы одноименно заряженных поверх­ ностей частиц и диффузных слоев воды: интенсивность увеличения прочности связей уменьшается, и дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий. Например, увеличение плотности грунта под нагрузкой или его высушивание, приводящие к выжиманию или испарению части слоев рыхлосвязан­ ной воды, вызовет дальнейшее повышение прочности связей. Одна­ ко большему сближению частиц и упрочнению связей все сильнее

28

препятствуют возрастающие силы электрического отталки­ вания. Поэтому дальнейшее уплотнение грунта требует дав­ лений, возрастающих до ог­ ромных значений.

Рассмотренные выше формы водно-коллоидных связей Н. Я. Денисов назвал первичны м сцеплением. Необходимо от­ метить две важнейшие особен­ ности этих связей: во-первых, прочность их сравнительно не­ велика и, во-вторых, они вос­ станавливаются через некото­ рое время после разрушения.

Альтернативными особенностями обладают цементационные связи в грунте. Они возникают в процессе диагенеза осадка, когда на поверхность частиц из поровых растворов отлагаются более или менее прочные и водостойкие гели оксидов кремния или железа либо прочные, но не водостойкие кристаллы гипса, кальцита, гали­ та или других солей. Пленки срастаются в местах контакта частиц и обусловливают сцепление упрочнения. Цементационные связи хрупки. При разрушении они не восстанавливаются или восстанав­ ливаются лишь частично по прошествии очень длительного време­ ни, соизмеримого со сроком службы сооружений. Разница между глинистыми грунтами нарушенной и ненарушенной структуры и за­ ключается, в частности, в том, что у первых оказываются разрушен­ ными цементационные связи, придающие ненарушенным грунтам большую прочность.

В осадочных нескальных грунтах с течением времени под влия­ нием уплотнения от массы перекрывающей их толщи могут про­ изойти процессы удаления избыточной воды, кристаллизации кол­ лоидных и химических осажденных веществ, сопровождающиеся резким усилением цементационных связей и литификацией (окаме­ нением) грунтов. При этом они переходят в осадочные скальные грунты: крупнообломочные — в конгломераты и брекчии; песча­ ные — в песчаники; глинистые — в алевролиты и аргиллиты.

Особый интерес представляет для строителей вопрос о природе связей в так называемых структурно-неустойчивых грунтах. К ним относятся ил, лёсс, засоленные, набухающие, вечномерзлые грунты. Связи между частицами в этих грунтах легко разрушаются при воздействиях, типичных для строительства (см. § 2.4).

29