4. Грунты. Строительные свойства грунтов

Грунт представляет собой естественную среду, в которой размеща­ется подземная часть зданий и сооружений. Грунтами в строительстве называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры и пред­ставляющие собой главным образом рыхлые и скальные породы. Раз­личают следующие основные виды грунтов: песок, супесь, суглинок, глина, лессовый грунт, торф, гравий, растительный грунт, различные скальные и уплотненные грунты. От строительных свойств грунтов за­висит прочность и устойчивость возводимых сооружений, методы про­изводства, трудоемкость и стоимость работ.

При выборе методов производства земляных работ необходимо учитывать следующие основные характеристики грунтов: плотность, влажность, липкость, разрыхленность, сцепление, угол естественного откоса, сложность (трудоемкость) разработки. В зависимости от этих характеристик грунты в строительстве рассматривают с точки зрения:

■ пригодности в качестве оснований различных зданий и сооружений и размера допускаемой на них нагрузки;

■ возможности их использования в качестве постоянных сооружений, т. е. как материала для устройства насыпей и выемок;

      ■ целесообразности или возможности применения того или иного        метода разработки грунтов.

Классификация (виды) грунтов

        Песчаные грунты - сыпучие в сухом состоянии, не обладают свой­ством пластичности. Они водопроницаемы, при определенной скорости течения воды размываются, с изменением влажности меняется и объем песка. Наибольший объем имеет песок во влажном состоянии (все пространство между частицами заполнено водой), наименьший объем имеет песок насыщенный водой (более тяжелый песок осел на дно, вода выдавила из пор воздух и сама поднялась в верхние слои),
промежуточное положение занимает песок в сухом состоянии (свобод­ное пространство между частицами заполнено воздухом).

         Глинистые грунты - связные и обладающие свойством пластично­сти. Глины сильно впитывают воду и при этом сильно разбухают. При замерзании вода увеличивается в объеме до 9%, благодаря чему гли­нистые грунты сильно пучатся, при высыхании грунты, наоборот, с трудом отдают влагу, уменьшаются в объеме и трескаются. Во влаж­ном состоянии глина пластична и почти водонепроницаема, с увеличе­нием влажности сцепление частиц глины уменьшается, и глина легко размывается проточной водой.

Суглинок имеет свойства глины, супесь - песка, но в значительно меньшей степени. В глинистых грунтах особо выделены лессовидные грунты. В сухом состоянии лесс обладает значительными прочностью и твердостью, но при соприкосновении с водой легко ее впитывает, при этом расплывается, сильно уменьшается в объеме, резко теряет несущую способность, становится просадочным.

            Гранулометрический состав грунта. В зависимости от среднего размера частиц, мм,  составляющих грунт, их подразделяют на:

глинистые — < 0,005; пылеватые - 0,005.. .0,05; пески-0,03... 3; гравий-3... 40; галька- 40-200; камни, валуны - > 200

    Пески, в свою очередь, подразделяют на:  мелкий - более 50% объ­ема составляют частицы размером 0,1...0,25 мм; средний - то же, час­тицы 0,25 ...0,5; крупный - 0,5...3 мм.

         Важным   компонентом   большинства  грунтов   является   наличие в них глинистых частиц. Грунты, в зависимости от содержания в их объеме глинистых частиц подразделяются: пески - < 3%; супеси -3-10%; суглинки - 10...30%; песчаные глины - 30...60%; тяжелые глины - > 60%.

Влажность грунта характеризуют степенью насыщения грунта водой и определяют отношением массы воды в грунте к массе твер­дых частиц грунта. В зависимости от влажности, грунты подразделяют на маловлажные (до 5%), влажные (до 30%), насыщенные водой (> 30%). Воду, находящуюся в порах влажных и насыщенных водой грунтов, называют грунтовой.

Коэффициент фильтрации грунта. Скорость движения грунто­вых вод зависит от пористости грунта; она различна для разных грун­тов и пород и поэтому характеризует водопроницаемость этих грун­тов. Скорость движения грунтовой воды, (м/сут) называют коэффици­ентом фильтрации грунта. Чем меньше размер частиц грунта, тем меньше и поры между этими частицами, а значит и скорость фильтра­ции воды между ними и наоборот. Коэффициенты фильтрации для различных грунтов, м/сут: глина - 0; суглинок - < 0,05; мелкозерни­стый песок - 1...5; гравий - 50... 150.

Плотность грунта - это масса 1 м3 грунта в естественном со­стоянии, т. е. в плотном теле. От плотности и силы сцепления частиц грунта между собой зависит производительность строительных машин. Плотность различных видов грунта изменяется в значительных преде­лах. Так, плотность илистых грунтов в среднем составляет 0,6 т/м3, песчаных грунтов - 1,6...1,7 т/м , скальных грунтов - 2,6...3,3 т/м3.

Сцепление грунта характеризуют начальным сопротивлением сдвигу, оно зависит от вида грунта и его влажности. Так, сила сцепле­ния для песчаных грунтов составляет 0,03...0,05 МПа, для глинистых -0,05...0,3 МПа.

Разрыхляемость. При разработке грунт разрыхляется и его объем по сравнению с первоначальным увеличивается. По этой причине раз­личают объем грунта в естественном и разрыхленном состоянии. Уве­личение объема грунта при разрыхлении сильно отличается для раз­личных грунтов и называется первоначальным разрыхлением. Со вре­менем этот разрыхленный грунт под воздействием нагрузки от выше­лежащих слоев, под влиянием атмосферных осадков или механическо­го воздействия постепенно уплотняется. Однако грунт не занимает того объема, который он занимал до разработки. Степень разрыхлен-ности грунта после его осадки и уплотнения называют остаточным разрыхлением.Величины первоначального и остаточного разрыхления выражают в % по отношению к объему грунта в плотном состоянии. Коэффициенты, учитывающие эти приращения объема грунта, называ­ют коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления (табл. 2.1).

Таблица2.1

Коэффициенты разрыхления для различных грунтов

Для ускорения уплотнения грунтов, отсыпанных в насыпь, приме­няют искусственное уплотнение катками, трамбованием, вибрацией, а для песчаных грунтов удобнее активный пролив водой.

Липкость - способность грунта при определенной его влажности прилипать к поверхности различных предметов. Большая прилипаемость грунта усложняет выгрузку грунта из ковша машины или кузо­ва, условия работы транспорта и др. Липкость определяют усилием, необходимым для отрыва прилипшего предмета от грунта (для глин липкость достигает 0,05 МПа).

Классификация грунтов по трудности их разработки (удельное сопротивление резанию). Классификация приводится в ЕНиР 2-1-1 «Земляные работы». Она учитывает свойства различных грунтов и конструктивные особенности землеройных и землеройно-транспортных машин, которые применяют для разработки грунтов. Для одноков­шовых экскаваторов грунты подразделяют на 6 групп, для многоков­шовых экскаваторов и скреперов - на 2 группы, для бульдозеров и грейдеров - на 3 группы.

      Для разработки грунта вручную принято 7 групп, а именно: песок, супесок, суглинок, глина, лесс - группы 1...4; крупнообломочные грунты - группа 5; скальные грунты - группы 6 и 7.

Грунты 1...4 групп легко разрабатываются ручным и механизиро­ванным способами, последующие группы - грунты требуют предварительного рыхления, в том числе и взрывным способом.

Крутизна откосов. По условиям техники безопасности рытье котлованов и траншей с вертикальными стенками без их крепления до­пускается только в грунтах естественной влажности на глубину, не превышающую следующих значений: в насыпных, песчаных и гравелистых грунтах - 1 м; в супесях - 1,25 м; в суглинках и глинах - 1,5 м; в особо плотных нескальных грунтах — 2,0 м.

Допускается рытье траншей глубиной до 3 м без креплений в осо­бо плотных нескальных породах при условии, что они будут разраба­тываться с помощью механизмов и без спуска рабочих в эти траншеи.

При глубине больше указанной котлованы и траншеи разрабатывают с откосами или с креплением стенок.

Допустимая крутизна откосов в грунтах естественной влажности из условий безопасного производства работ зависит от глубины разраба­тываемой выемки или высоты насыпи и принимается по табл. 2.2.

Таблица 2.2

Допустимая крутизна откосов

Крутизна откоса зависит от угла естественного откоса, при кото­ром грунт находится в состоянии предельного равновесия, определяю­щими факторами которого являются угол внутреннего трения грунта, силы внутреннего сцепления и давление вышележащих слоев грунта.

Классификация (виды) грунтов

Грунты разделяют на три класса: скальные, дисперсионные и мерзлые (ГОСТ 25100-2011).

• Скальные грунты — магматические, метаморфические, осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные и техногенные породы обладающие жесткими кристаллизационными и цементационными структурными связями.
• Дисперсионные грунты — осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные и техногенные породы с водноколлоидными и механическими структурными связями. Эти грунты делятся на связные и несвязные (сыпучие).
• Мерзлые грунты — это те же скальные и дисперсионные грунты, дополнительно обладающие криогенными (ледяными) связями. Грунты в которых присутствуют только криогенные связи называются ледяными.

Скальный грунт обладает достаточной несущей способностью для строительства сооружений без фундамента. Этот грунт сам выступает в роли фундамента.

На мерзлых грунтах строительство бессмысленно, так как это сезонный фактор. Вечномерзлые грунты обладают несущей способностью скальных грунтов и могут быть использованы в качестве фундаментов.

Класс дисперсионных грунтов подразделяют на группы:

• минеральные — крупнообломочные и мелкообломочные грунты, пылеватые и глинистые грунты;
• органоминеральные — заторфованные пески, илы, сапропели, заторфованные глины;
• органические — торфы, сапропели.

Органика со временем имеют свойство разлагаться и переходить в другое состояние с уменьшением объема и плотности, поэтому строительные сооружения на органических и органоминеральных грунтах делают путем прохода сквозь толщу их наслоений конструкциями фундаментов либо замещением этих грунтов на минеральные. Поэтому в качестве оснований под фундаменты зданий и сооружений далее будем рассматривать первую группу дисперсионных грунтов — минеральные грунты.

Минеральный дисперсионный грунт состоит из геологических элементов различного происхождения и определяется по физико-химическим свойствам и геометрическим размерам частиц его составляющим. Прежде чем перейти к дальнейшей классификации грунтов нужно оговорить, что будет называться песком, что пылью, а что гравием или щебнем.

По российскому стандарту (ГОСТ 12536) классификация названий элементов идет по размеру слагающих грунт частиц (рис. 4).

рис. 4. Слагающие грунт элементы

Обратите внимание, что крупные обломки одинаковых размеров имеют разные названия. Если их грани окатаны, то это валуны, галька, гравий. Если не окатаны — глыбы, щебень, дресва.

Дальнейшая классификация грунтов зависит от преобладающих в нем частиц. В условиях реальной строительной площадки грунт может быть встречен в чистом виде и как смесь нескольких видов грунтов (рис. 5).

рис. 5. Классификация минерального дисперсионного грунта

Крупнообломочные частицы формируют так называемые крупнообломочные грунты, которые очень хорошо водопроницаемы, мало сжимаемы, мало чувствительны к воде (маловлажные или насыщенные водой сжимаются одинаково, набухание не происходит).

Мелкообломочные частицы образуют песчаные грунты, которые хорошо водопроницаемы, мало сжимаемы, не набухают. За исключением мелких, пески не пучат при промерзании. Свойства частиц зависят не от того, из каких минералов состоит песок (кварц, полевой шпат, глауконит) а от крупности.

Таблица 1

При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40% или глинистого заполнителя более 30% от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляют наименование вида заполнителя, и указывают характеристики его состояния. Вид заполнителя устанавливают после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Если обломочный материал представлен ракушкой в количестве ≥ 50%, грунт называют ракушечным, если от 30 до 50% — к наименованию грунта прибавляют с ракушкой.

Пылеватые частицы (взвеси) — продукты механического и химического выветриваний. При их наличии более 25% образуются пылеватые грунты. Минералогический состав частиц в некоторой степени влияет на свойства этих грунтов. Наличие зерен окислов обусловливает связность. Пылеватые пески малопрочны, неустойчивы по отношению к воде, а при замачивании теряют связность и оплывают (потеря устойчивости). Некоторые виды пылеватых грунтов набухаемы и сильно пучинисты.

Глинистые частицы (коллоиды) — чрезвычайно активны. По химическому составу существенно отличаются от остальных (форма их чешуйчатая и игольчатая). Даже 3% глинистых фракций достаточно, чтобы грунт приобрел глинистые свойства: связность, пластичность, набухаемость, липкость, водонепроницаемость.

Самые мелкие частицы (взвеси и коллоиды) являются определяющими в формировании строительных свойств грунтов, но пылеватые свойства хуже глинистых.

В зависимости от процентного содержания в глине песка глинистые грунты делятся на супесь, суглинок, глину.

Таблица 2

Если в глинистом грунте содержится пылеватых частиц больше чем песчаных, то к его наименованию добавляют слово «пылеватый(ая)». Что говорит о возможности резкого снижения прочности и увеличению сжимаемости грунта при намокании, сильного пучения при промерзании, снижения прочностных характеристик при динамических воздействиях.

Глинистые грунты различного химического сотстава различаются своими свойствами по отношению к воде. Так, например, каолинитовые глинистые грунты (белые, светло-серые, серые, черные глины) и полимиктовые (бурые глины) при замачивании набухают мало, а бентониттовые (белые или светло-серые, с желтоватым или зеленоватым оттенком) — набухают очень сильно.

В естественном состоянии грунты находятся в разной степени влажности. Увеличение или уменьшение влажности грунтов изменяет связность частиц грунта. По мере увеличения влажности глинистые грунты проходят три состояния: твердое, пластичное и текучее. Песчаные — два: сыпучее и текучее. При намокании глинистые грунты ухудшают свои свойства медленно, оставляя некоторое время для спасения сооружений от аварии. В песках ухудшение свойств наступает мгновенно. По мере высыхания глинистый грунт уменьшается в объеме и трескается (дает усадку), а пески не изменяют своего объема. Влажные глинистые грунты под действием статической нагрузки дают значительные осадки, а песчаные сжимаются меньше. Сильновлажные глинистые грунты под нагрузкой дают медленно затухающую во времени осадку (вековая осадка), а пески деформируются сразу после приложения нагрузки. В течение строительного периода в песках происходит до 85–90% осадки, в глинистых грунтах — до 50%, а остальные доли в процессе эксплуатации. Песчаные грунты водопроницаемы во всех состояниях, а твердые и пластичные глинистые практически непроницаемы (пески — дренажи, глины — водоупор).

Таблица 3