СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Общие свойства грунтов

Грунты, служащие основанием, являются сплошными скальными массивами или продуктами их раз-рушения. Строительные свойства грунтов весьма различны и зависят от процесса их образования. Существует определённая закономерность между строительными свойствами грунта и некоторыми величинами, характеризующими его физическое состояние. Эти величины могут быть получены в результате лабораторного исследования образцов грунта, взятых с места постройки без нарушения структуры, свой-ственной ему в условиях естественного залегания. К таким основным характеристикам, общим для всех типов грунтов, отно-сятся: 1) гранулометрический состав, т. е. количество частиц различной круп-ности, находящихся в единице объёма, и 2) степень плотности грунта. Для определения гранулометрического состава образец грунта высушивают до воздушно-сухого состояния и рассеивают через набор сит с отверстиями опре-делённой крупности. После рассева каждая фракция, оставшаяся на соответ-ствующем сите набора, взвешивается, и вес каждой фракции выражается в про-центах от веса образца; результат представляется в виде табл. 1.

Примерный гранулометрический состав среднезернистого песка.

Общий вес образца 290 г

диаметр частиц (мм) 2 2--1 1--0,5 0,5--0,25 0,25--0,10 меньше 0,10
вес фракций % 3,6 5,6 31,4 33,7 13,2 12,5
г 10,5 16,5 91 98 38 36
Для объективной оценки степени плотности грунта необходимо прежде всего установить пористость его (n), т. е. объём пустот в процентах ко всему объёму занимаемому грунтом. Величина пористости, в зависимости от крупности ча-стиц и степени их уплотнения, может колебаться в пределах от 25 до 50%. Срав-нительно постоянными для грунта с определённым гранулометрическим соста-вом являются две пористости: максимальная (n max), которую он имеет в свободно насыщенном состоянии, и минимальная (nmin), которую он получает после искус-ственного уплотнения до предела. Плотность грунта характеризуется величиной D, называемой степенью плотности грунта . Степень плотности выражает, в каком соотношении с предель-ными величинами (nmax и nmin) находится пористость (n), которую имеет грунт в условиях естественного залегания. По степени плотности различают грунты: плотные при 1 > D > 0,67 средней плотности при 0,67 > D > 0,33 рыхлые при 0,33 > D > 0 Рыхлые грунты, как правило, мало пригодны для основания, так как дают значительные, а главное неравномерные осадки. При необходимости строи-тельства на рыхлых грунтах несущая способность основания выявляется путём специальных исследований, индивидуальных для каждого строительства. С возрастанием плотности грунта осадки уменьшаются и становятся равно-мернее. Поэтому, чем плотнее грунт, тем большее давление под фундаментом можно допустить при прочих равных условиях . По мере углубления грунты непрерывно подвергаются все большему давле-нию вышерасположенных слоев. Давлению подвержены также грунты, распо-ложенные под существующими сооружениями. Поэтому плотность грунтов в этих случаях увеличивается, что позволяет увеличивать допускаемые давле-ния на грунт при расположении фундамента на глубинных слоях или при дополнительной загрузке существующих фундаментов.

Скальные грунты


Эти грунты представляют собой залежи естественных горных пород: гранитов, песчаников, известня-ков и т. д. Скальные массивы достаточной мощности (что проверяется расчётом основания на продавливание весом сооружения) при отсутствии пустот, трещин и т. д. являются прекрасным основанием для всякого рода сооружений. В результате воздействия физических агентов (вода, воздух, температурные изменения и т. д.) скальная порода разрушается, превращаясь из монолита в рыхлую массу. Первоначально появляются отдельные трещины и пустоты, ко-торые мало влияют на прочность массива, так как легко могут быть забетониро-ваны или заделаны другим способом. В дальнейшем массив распадается на отдель-ные более или менее значительные глыбы - разборная скала. Прочность массива при этом сильно уменьшается и зависит от размера отдельных глыб и степени их разрушения.

Гравелистые и дресвянистые грунты.


Продукты распада скальных пород на более мелкие части образуют гравелистые и дресвянистые грунты. В этой стадии химический состав пород обычно ещё не изменяется. По форме и размеру частиц различают: 1) неокатанные породы: дресва или хрящ (размер частиц 0,2 - 6 см) и щебень (6 - 20 см) и 2) окатанные породы: гравий (0,1-6 см), галька (6-20 см) и булыжник (свыше 20 см). Все эти породы, если они подстилаются плотным грунтом и не подвергаются действию текучей воды, являются надёжным основанием. Прочность неокатанных пород в значительной степени зависит от степени разрушения и размера отдельных камней. Гравелистые грунты в чистом виде встречаются редко; наличие глинистых прослоек, особенно наклонных, сильно снижает их строительные качества. Не-сущая способность слоя гравия зависит от его плотности. Различают гравий плотный, со степенью плотности D > 0,67, и гравий средней плотности с D < 0,67. Наличие воды, пропитывающей гравелистые грунты, на их прочность не влияет.

Пески.


Продуктом дальнейшего механического разрушения скальных пород являются пески, которые со-стоят из жёстких частиц различной крупности, имеющих форму зерен. По круп-ности частиц (гранулометрический состав) различают пески:

гравелистые, в которых сумма всех частиц крупнее 2,00 мм больше 10% по весу
крупные, в которых сумма всех частиц крупнее 0,50 мм больше 50% по весу
средние, в которых сумма всех частиц крупнее 0,25 мм больше 50% по весу
мелкие, в которых сумма всех частиц крупнее 0,10 мм больше 75% по весу
пылеватые, в которых сумма всех частиц мельче 0,10 мм больше 25% по весу

В песке может быть до 3% примеси глинистых частиц. Величина осадки, а следовательно, и допускаемое давление на песок сильно зависят от степени его плотности и насыщенности пор водой. Пески плотные и средней плотности при достаточной мощности, будучи обеспечены от размыва водой, являются хорошим основанием для соору-жений. По степени заполнения водой пор грунта различают грунты: сухие 0

Глинистые (связные) грунты.


Глинистые грунты являются продуктом химического разрушения основных пород с последующей гидратацией их (химическое соединение с водой). Глинистые частицы отличаются от песчаных формой и значительно мень-шими размерами. Это - микроскопически малые пластинки или чешуйки, наибольший размер которых не превышает 2 ?, а толщина-0,1?. Промежутки между частицами такой формы столь незначительны, что капиллярные силы притяжения между частицами грунта и водой, заполняющей поры, ока-зываются достаточными для обеспечения связности частиц глины между собой. Появлением капиллярных сил в мелких порах и упругостью частиц глины и обусловливается в основном глубокое различие в строительных свойствах глин и песков; последние, как указывалось выше, не обладают связностью. Глина никогда не отдаёт всю заключённую в ней воду и при насыщении водой увеличивается в объёме за счёт увеличения промежутков между частицами; поэтому весовая влажность глин изменяется в очень широких пределах, примерно от 3% до 600%, в то время как песок не может принять воды больше объе-ма его пор. При большом количестве воды глинистый (связный) грунт находится в теку-чем состоянии (разжиженная глина). Если его высушивать, то текучее состояние. переходит в пластичное. Так называется состояние, при котором грунт способен под влиянием местного давления изменить свою форму без поверхностных де-формаций (трещин) и сохранять новую форму после прекращения давления. Установлено, что для каждого грунта переход из текучего состояния в пла-стичное совершается при определённом проценте влажности, который назы-вают границей текучести или нижней границей пластичности. Ее определяют как предельную влажность, при которой два куска грунта, положенных рядом, без внешнего воздействия сохраняют свою форму, но сливаются в один кусок при самом лёгком постукивании. Если пластичный глинистый грунт высушивать, то он перейдёт в твёрдое состояние. Этот переход также совершается для каждого грунта при определен-ном проценте влажности, который называют границей скатывания или верхней границей пластичности. Её определяют как предельную влажность, при кото-рой кусок грунта при попытке раскатать его в жгут рассыпается в куски. Пластичность является самым характерным свойством глинистых (связ-ных) грунтов. Установлено, что чем больше песчаных частиц примешано к глине, тем в более узких пределах влажности грунты обладают пластичностью, т. е. тем меньше разность между границей текучести и границей скатывания (как видно из предыдущего, обе эти границы являются определенными процентами влаж-ности). Эту разность называют числом пластичности. По нормам глинистыми назы-вают грунты, имеющие число пластичности не менее 7. Глинистые грунты де-лятся на глины с числом пластичности более 17 и суглинки с числом пластичности от 7 до 17. Например, если определена граница текучести в 56%, а граница ска-тывания в 34%, то это-глина, так как число пластичности будет равно 56 - 34 = 22 > 17. При этом, если природная влажность равна 38%, то глина в естественных условиях находится в пластичном состоянии (56 > 38 > 34). Если бы в нашем примере граница скатывания равнялась 40%, то грунт следо-вало бы отнести к суглинкам (56 - 40 = 16 < 17). Этот суглинок, имеющий природную влажность в 35%, находился бы в твердом состоянии, так как 35 < 40. Величины влажности, при которых происходит переход из твердого состояния в пластичное (граница скатывания), будучи для определённого грунта по-стоянными, для различных грунтов одного и того же класса чрезвычайно раз-нообразны и потому не лимитируются. Настоящая глина обладает следующими внешними признаками: при дыха-нии на неё издает специфический запах; на ощупь жирна; отдельных частиц не чувствуется; при высыхании уменьшается в объёме (обладает усадкой) и рас-трескивается, особенно при быстром высушивании. Содержание в глине мелких частиц диаметром менее 0,005 мм обычно больше 30% по весу. Начало разжи-жения (граница текучести) обычно наступает при влажности, равной для жирных глин 85 - 90%, для тощих глин (т. е. имеющих примесь песка) 65 - 75%. Суглинки представляют собой механическую смесь глинистых и песчаных частиц. Соотношение составных частей нормами не установлено. Обычно в со-ставе суглинков 10 - 30% глинистых частиц, среди песчаных частиц преобла-дают мелкие и пылеватые (размером менее 0,25 мм); частицы свыше 2 мм обычно отсутствуют. Вследствие наличия песка пластичность суглинков меньше, чем глин. Суглинки обладают меньшими связанностью, усадкой и влагоёмкостью, скорее сохнут и меньше твердеют. Суглинки не обладают специфическим запахом глин, и при растирании пальцами в них ощущается наличие песчаных частиц. Разжижение суглинков (нижняя граница текучести) обычно начинается при влажности в 35 - 40%. Глины и суглинки в твёрдом состоянии вполне пригодны для оснований, но по мере увеличения в них влажности и приближения её к границе скатывания качества их как основания значительно снижаются. В пластичном состоянии они ещё могут служить основанием, но при разжижении в текучее состояние могут быть использованы для оснований лишь в исключительных случаях после специальных исследований. Поэтому при возведении фундаментов на глинах и суглинках основания должны быть обеспечены от дополнительного увлажнения сверх того, при котором был возведён фундамент. Механический состав, структура, плотность глин и суглинков, а потому и по-датливость их под нагрузкой весьма различны и зависят от процесса их образо-вания. Глины, залегающие непосредственно в месте образования (элювиальные), обычно весьма однородны и являются хорошим основанием. Отсутствие в них посторонних примесей делает их водонепроницаемыми и потому весьма пригод-ными для изоляции фундаментов. Глины, образовавшиеся из частиц выветрившейся возвышенности, перенесенных в близко расположенные низмен-ные места дождевыми и снеговыми водами (делювиальные), а также глины, отло-женные реками в местах замедленного течения (аллювиальные), отличаются боль-шой пестротой состава и различной плотностью даже в пределах небольшой площади, что приводит к неравномерным осадкам отдельных частей зданий; потому на делювиальные и аллювиальные глины, при прочих равных условиях, следует допустить меньшую нагрузку, чем на элювиальные. Весьма однородны и в то же время имеют большую плотность древние (юрские) глины и глины ледникового происхождения (донной морены), образовавшиеся в процессе перемещения ледниками продуктов разрушения горных пород. Эти глины довольно часто встречаются на некоторой глубине и, как правило, уплотнены находящимися на них отложениями. Эти глины являются обычно надёж-ным основанием, но вследствие наличия песчаных посторонних частиц, камней т. д. мало пригодны для целей гидроизоляции.

Супеси.


Промежуточное положение между песчаными и глинистыми грунтами занимают супеси, представляю-щие собой смесь песчаных и глинистых частиц. В супесях обычно бывает глинистых частиц размером менее 0,05 мм от 3 до 10%. Супеси обладают небольшой пластичностью, с числом пластичности менее 7. Податливость супесей под нагрузкой, а потому и допускаемое давление на них, зависит от степени плотности и заполнения пор водой, величины которых (D, G) определяются так же, как для песков.

Лессовидные грунты.


Довольно часто встречаются глины, суглинки и супеси, для которых характерно наличие тонких, но видимых невооруженным глазом более или менее вертикальных канальцев (пор), пронизывающих всю их толщу. Сохранность пор, даже на большой глубине, объясняется тем, что внутренняя их поверхность состоит из глинистых частиц, пропитанных карбонатами (известковые и прочие соединения CO2). При прохо-ждении сквозь лёсс воды карбонаты в ней растворяются, при этом связь между частицами ослабляется; если грунт находится под нагрузкой, поры в нём уни-чтожаются, вся его структура меняется - происходит резкое уплотнение. Лёс-совидные грунты с нарушенной структурой сильно напоминают глину, с которой их часто смешивают. Наличие в лёссе характерных пор (макроструктура), описанных выше, бы-строе размокание его в воде, без предварительного набухания, палевый или светло-жёлтый цвет и способность обламываться вертикальными стенками позволяют при ненарушенной структуре лёсса легко отличить его от глины. Выше уже указывалось, что лёссовидные грунты могут служить осно-ванием при условии своевременного принятия мер, устраняющих возможность увлажнения основания. Поэтому при обнаружении, хотя бы на большой глу-бине, глин, суглинков и супесей всегда необходимо тщательно проверить, не являются ли они лёссовидными.

Грунты насыпные и с органическими веществами.


К грунтам с большим содержанием органических веществ относятся: культурный растительный слой, органический ил, торфяные и болотные грунты. Они являются весьма ненадёжными для непосредственного возведения на них фунда-ментов здания, и в огромном большинстве случаев наиболее целесообразно про-резать такие грунты и располагать основание на подстилающих слоях. Химиче-ский состав грунтовых вод в таких грунтах должен быть тщательно обследован, так как в них часто бывают растворены соли, разрушающие материалы фундамента. Строительные свойства насыпных и искусственно созданных грунтов опре-деляются возрастом и материалом насыпи. Достаточно плотные, однородные на-сыпи, не имеющие органических включений, могут быть использованы в каче-стве основания. Податливость таких грунтов должна быть определена путём специальных исследований. В некоторых случаях специально делаются насыпи для оснований; в процессе создания таких насыпей ведётся тщательное наблюдение за их однородностью и плотностью, и устройство фундаментов не отличается от обыкновенных. Для образования таких насыпей применяют рефуллированный песок и гранулированный шлак.