Шпаргалка по "Геологии"

6. Процессы формирования грунтовой толщи. Физические и механические свойства грунтов.

Грунты - это горные породы, слагающие поверхностные  зоны земной коры (литосферы), затронутые процессами выветривания, используемые либо как основания различных  сооружений, либо как материал для  возведения насыпей, дамб и подобных объектов, либо же как среда, в которой возводятся выемки, тоннели и оборонные подземные сооружения. Следовательно, под грунтами понимаются любые горные породы и почвы, рассматриваемые и используемые как объекты инженерно-строительной деятельности человека. Грунты состоят из твердой, жидкой и газообразной фаз, т. е. представляют собою в общем случае трехфазную систему, а с учетом растворенных в поровой воде веществ - много фазную систему. Всем горным породам в каждый данный момент присуще равновесное состояние между составляющими их твердыми частицами, воздухом и поровым раствором. Под влиянием различных природных и искусственных факторов состояние равновесия между фазами грунтов нарушается, соответственно чему изменяются в ту или другую сторону и свойства пород.

Физические  свойства грунтов

Строительные  свойства грунтов определяются совокупностью  их физических и механических свойств, Многие физические и механические свойства грунтов во времени являются переменны изменяясь под влиянием природных и искусственных факторов, что и обусловливает необходимость изучать свойства грунтов в их взаимодействии с внешней средой, для классификации грунтов и для оценки их поведения во взаимодействии с сооружением необходимо иметь количественные (цифровые) характеристики или показатели, их свойств, которые получаются путем изучения грунтов методами, подробно излагаемыми в специальных руководствах.

Большинство показателей  определяется на натуральных образцах грунтов, так называемых монолитах (при их естественной структуре, пористости и влажности); при нарушении этого  состояния, особенно у глинистых  пород, нельзя получить объективных  сведений о свойствах определяющих поведение грунтов во взаимодействии с сооружением. Только используя  грунты как материал для отсыпки  насыпей, дамб и подобных сооружений, их показатели определяют на образцах нарушенной структуры, искусственно доведенной до состояния, которое они будут  иметь в построенном сооружении. Состав показателей, количество определений  для каждой разности грунтов и  методы определения показателей  следует устанавливать в зависимости  от типа грунтов, типа сооружения и  стадии проектирования. Наиболее полно  и на многих образцах для одной  и той же разности грунтов показатели их свойств определяются на стадии рабочего проектирования, поскольку  по действующим нормативным руководствам многие показатели необходимо определять методами математического статистического  обобщения.

Гранулометрический  состав. Под гранулометрическим, или (реже) механическим (устаревший термин), составом понимают процентное содержание частиц различного размера, слагающих данную рыхлую породу. Размер частиц изменяется в широких пределах, от сотен и десятков сантиметров в крупнообломочных раздельнозернистых породах до сотых и тысячных долей миллиметра (и меньше) у глинистых пород. Группы частиц более или менее определенных размеров называются фракциями. Выделяют следующие фракции (мм):

В зависимости  от процентного соотношения различных  фракций крупнообломочные и песчаные раздельнозернистые сыпучие породы при строительстве дорог, гражданских и промышленных зданий и других сооружений классифицируются по действующим СНиПам). Гранулометрический состав глинистых связных грунтов (супесей, суглинков и глин) является также важной характеристикой их строительных свойств. Но поскольку при определении гранулометрического состава подобных грунтов принятыми в лабораторной практике методами возникают большие трудности и неизбежны погрешности, то классификация их по СНиПII-Б1-62 производится по степени пластичности.

Знание гранулометрического  состава грунтов совершенно необходимо для решения целого ряда практических задач: классификации изучаемых  пород ориентировочного определения  степени их водопроницаемости, установления возможности их вымыва в откосах выемок и насыпей расчета гравийных фильтров, оценки грунтов для отсыпки насыпей, балластного слоя, приготовления бетона и т. д. более точно консистенцию глинистых пород следует определять в их природном состоянии. В настоящее время отсутствуют стандартные методы определения природной консистенции, хотя они и разрабатываются. Пластичные свойства глинистых пород обусловливаются наличием около минеральных тонкодисперсных и коллоидных частичек гидратных оболочек физически связанной воды, которые ослабляют (экранируют) силы межмолекулярного притяжения, но полностью не устраняют. При действии внешней силы минеральные частицы, разделенные водными оболочками, свободно перемещаются в объеме горной породы, но силы молекулярного притяжения при этом сохраняются; в результате порода, сохраняя сплощность, принимает новую форму, которую не теряет и по прекращении действия внешней силы. Липкость (клейкостъ, прилипаемость). Способность грунтов при определенном содержании воды прилипать к рабочим органам землеройных механизмов. Проявляется липкость при влажности выше нижнего предела пластичности. Количественной характеристикой липкости грунтов является максимальное усилие (Г/см2), необходимое для отрыва металлической пластинки от грунта при различной его влажности, что определяется о лабораторных условиях. Определение липкости имеет существенное значение при строительстве дорог, аэродромов и других объектов, ибо помогает предвидеть осложнения для работы землеройных машин и избегать их. Набухание и усадка. Глинистые породы при увлажнении увеличиваются в объеме — набухают, а при уменьшении влажности уменьшаются в объеме происходят их усадка. Причиною набухания является увеличение толщины гидратных оболочек физически связанной воды; объем минеральных частичек в набухающем грунте остается неизменным, а увеличение объема обусловливается увеличением пор, полностью заполняемых водой, вследствие этого влажность набухающих грунтов возрастает. Поскольку утолщающиеся около минеральных частичек гидратные оболочки снижают силы молекулярного притяжения между ними, то прочность набухающих грунтов значительно уменьшается. Усадка обусловливается процессами, обратными набуханию. Утоняющиеся при уменьшении влажности гидратные оболочки не препятствуют проявлению сил молекулярного притяжения между твердой фазой грунта, при этом происходит сближение частиц и объем грунта сокращается. Набухание в глинистых породах возможно только при наличии коагуляционных структурных связей или же легко разрушаемых водонестойких цементационных связей. Если же цементационные структурные связи являются водоусточивыми то набухание грунтов возможно только при механическом разрушении этих связей. Отсюда и вытекает общее требование, соблюдение которого является строго обязательным при вскрытии котлованов для закладки фундаментов и в других подобных случаях работу вскрышных механизмов по мере приближения и проектным отметкам надо организовать так, чтобы в наибольшей степени сохранить присущие глинистым породам естественные структурные связи, а тем самым и их природную прочность. Количественно величина набухания выражается давлением набухания, влажностью набухания или увеличением объема образца породы. Усадка характеризуется уменьшением объема или длины высыхающего образца (объемная и линейная усадка); влажностью на пределе усадки. Под влажностью предела усадки понимается та влажность, по достижении которой при дальнейшем высыхании образца (т. е. уменьшении его влажности) объем его остается неизменным. Методика определения набухания и усадки изложена в руководствах по методике лабораторных исследований свойств грунтов. Размокание глинистых пород. Под размоканием понимается - предельная степень набухания, когда порода распадается в воде па составные элементы, превращаясь в бесформенную массу, - чаще всего в густую суспензию. Основное значение в процессе  размокания имеет образование около минеральных грунтовых частичек предельно толстых гидратных оболочек, полностью устраняющих внутренние структурные связи — коагуляционные и нестойкие цементационные, Нарушение естественного сложения пород значительно способствует размоканию. Интенсивность размокания образцов глинистых пород в воде зависит от ряда факторов: их состава, начальной влажности, наличия цементационных связей и их водостойкости, степени выветрелости, нарушенности естественной структуры искусственными факторами. Степень размокаемости грунтов используется при оценке явлений переработки берегов водохранилищ, устойчивости откосов канав, каналов, стенок котлованов и других земляных сооружений. Для определения размокаемости используется ряд приоров, методика работы которых изложена в специальных руководствах.

Механические  свойства грунтов.

Механические свойства грунтов  определяют в своей совокупности их поведение в основании сооружений в откосах выемок карьеров, котлованов в подземных сооружениях и  т. д. Механические свойства грунтов  всей совокупностью их физических свойств  и должны изучаться и оцениваться  не изолированно, а в комплексе  с последними, а также с учетом требований предъявляемых к грунтам  при проектировании и строитель  конкретных объектов.

Механические свойства рыхлых горных пород, подверженных внешним  воздействиям характеризуются показателями сопротивления их сжатию и сдвигу, т. е. основными количественными  показателями прочности и устойчивости пород в основании сооружений в откосах выемок котлованов и  карьеров в горных выработках и прочих сооружениях. Сопротивление грунтов  сжатию. Сжатие и уплотнение грунтов и сопровождающие их явления зависят от вида и структурных особенностей этих грунтов. Сжатие раздельнозернистых грунтов (песков, гравия, щебенки и т. п.) зависит от степени их плотности, гранулометрического состава и характера внешнего воздействия. При статическом давлении, обусловленном весом сооружений или вышележащей толщи, уплотнение раздельнозернистых грунтов будет перемещение отдельных зерен относительно друг друга (чему препятствует трение, возникающее на поверхности перемещающихся зерен); этот процесс протекает сравнительно быстро к почти независимо от влажности и при тех давлениях, которые практически передаются на грунты от веса возводимых сооружений. Сжатие рассматриваемых грунтов является сравнительно незначительным. Поэтому как основания сооружений раздельнозернистые грунты являются вполне удовлетворительными. Если же на подобные грунты будут воздействовать динамические знакопеременные нагрузки, то в зависимости от степени их плотности а также от влажности, гранулометрического и минералогического состава уплотнение их может быть значительным, что и необходимо заранее предвидеть.Сжимаемость связных или глинистых пород, занимающих преобладающие положение среди рыхлых грунтов зависит от сочетания и взаимодействия многих факторов: степени дисперсности (гранулометрического состава), минералогического состава, емкости обмена, состава катионов диффузного слоя, рН среды, концентрации порового раствора и характера преобладающих в растворе катионов, степени увлажнения консистенции грунта, характера структурных связей (коагуляционные или конденсационные) характера и скорости приложении нагрузок. Наиболее сжимаемы натрий-монтмориллонитовые глины при их значительном увлажнении, показателе консистенции свыше и при наличии только коагуляционной структуры. Каолинитовыё глины менее сжимаемы. Глины, в диффузном слое которых преобладают катионы кальция, также менее сжимаемы. Чем больше пористость, тем больше абсолютная сжимаемость глинистых пород (при прочих. равных условиях). В процессе сжатия связных грунтов значительную роль играют гидратные оболочки рыхло связанной воды, воспринимающие часть нагрузок и деформирующиеся при сжатии; чем они толще, тем более сжимаемы грунты. Нарушение структурных связей в глинистых грунтах резко увеличивает их сжимаемость. Существенное влияние на сжимаемость связных грунтов оказывают скорость нарастания нагрузка и ее величина; чем с большей скоростью нарастает нагрузка и чем больше при этом ее величина, тем больше (при прочих равных условиях) уплотняются глинистые породы. При полном насыщении этих пород водою ; скорость сжатия будет определяться степенью их водопроницаемости; при малых значениях коэффициента фильтрации и большой мощности сжимаемого глинистого слоя процесс сжатия длится многие годы. Если в порах связных грунтов кроме воды находится и воздух (трехфазное состояние грунта), могущий свободно выходить, сжатие происходит более быстро и не зависит от степени водопроницаемости. Виды деформаций грунтов. Объемные деформации грунтов подразделяют на упругие, структурные и структурно-адсорбционные. Пока в глинистых грунтах не разрушено структурное сцепление, их поведение в принципе соответствует поведению обычных твердых тел и в породе могут протекать только упругие деформации. Осадка сооружений, вызванная упругими деформациями, измеряется долями миллиметров или несколькими миллиметрами. Если же под влиянием различных факторов, в том числе и веса возводимых сооружений, структурные связи между минеральными частицами будут ослабевать или разрушаться, частицы или их агрегаты будут смещаться относительно друг друга, что влечет уплотнение породы; подобные деформации именуются структурными (иначе деформации сдвига) и присущи они только рыхлым породам. В частности, преимущественно структурные деформации протекают в раздельнозернистых породах. При давлениях, обычных в строительной практике, прочность пород в процессе структурных деформаций и по мере увеличения нагрузок возрастает. Поскольку процесс уплотнения пород протекает не мгновенно, а на протяжении некоторого отрезка времени, упрочнение совершается не сразу. Свойство глинистых грунтов упрочняться под воздействием нагрузок, обусловленных весом сооружений является их положительной особенностью. Необходимо только при строительстве на слабых глинистых грунтах давление Увеличивать постепенно ибо в противном случае возможно тиксотропное разжижение подобных глин и выпор их из-под подошвы фундамента. Если же нужная постепенность возрастания нагрузок исключается принимаются соответствующие конструктивные решения, предохраняющие сооружения от возможных деформаций вследствие перехода слабых глинистых пород в разжиженное состояние. Деформации пород, обусловленные их уплотнение или набуханием вследствие изменения толщин гидратных оболочек при изменении внешнего давления именуются структурно-адсорбционными и являются взаимно обратимыми. По мере уплотнении глинистых пород при возрастании нагрузок относительное и абсолютное значение структурных деформаций уменьшается, а структурно-адсорбционных возрастает, но только до известного предела. Четкой границы у которой заканчиваются структурные деформации не установлено. Следовательно уменьшение объема глинистых грунтов под влиянием внешнего давления и увеличение их плотности может быть следствием как упругого сжатия, таки результатом проявления структурных и структурно-адсорбционных деформаций.

7. Инженерно-геологические особенности элювиальных,  делювиальных, пролювиальных, эоловых и аллювиальных песчаных отложений.

Инженерно-геологическая  характеристика песчаных пород. Пески имеют чрезвычайно широкое распространение. Состав, строение и свойства песков определяются как и у всех пород их генезисом.

Инженерно-геологические  особенности элювиальных песков. Элювиальные пески являются характерным продуктом выветривания и формируются на месте разрушения горных пород. Они характеризуются неоднородностью в гранулометрическом составе, необработанной угловатой формой зерен, рыхлым сложением и сильно выветрелой неровной, «кавернозной» поверхностью частиц, нередко покрытой железистой пленкой. Неоднородность гранулометрического состава элювиальных песков свойственна, по существу, всей их толще, за исключением самой верхней ее части, из которой выдуваются ветром пылеватые и глинистые частицы. Степень неоднородности зависит также и от состава исходных материнских пород, интенсивности и продолжительности выветривания. Сложение элювиальных песков обычно рыхлое, причем наиболее рыхлые песчаные частицы расположены в верхней части песчаной толщи. В нижних ее частях расположение песчинок становится более плотным, однако и здесь оно достаточно неоднородное. Вследствие этого элювиальные пески обладают достаточно высокой уплотняемостью. В силу ограниченности и специфики своего распространения элювиальные пески в инженерно-геологическом отношении изучаются конкретно в районе строительства проектируемого сооружения.

Инженерно-геологические  особенности делювиальных песков. Делювиальные песчаные отложения по своим инженерно-геологическим параметрам и распространенности довольно близки к элювиальным. Для них в целом свойственна неоднородность гранулометрического состава, необработанная угловатая форма частиц, рыхлое сложение и т. п. Однако в разрезе делювиальных песков иногда прослеживается вполне определенная сортировка материала. С точки зрения инженерно-геологической оценки пригодности делювиальных песков в качестве оснований сооружений следует иметь в виду, что при их небольшой мощности и спорадическом размещении у подножий склонов, а также практически всегда рыхлом сложении, при выборе площадки строительства следует проводить тщательные инженерные изыскания непосредственно на изучаемом участке, не прибегая к аналогам.

Инженерно-геологическая  оценка пролювиальных песков. Пролювиальные пески, формирующиеся в горных и предгорных районах под влиянием временных бурных дождевых потоков, характеризуются некоторой, хотя и слабовыраженной обработанностью (слабой окатанностью) частиц. Для разрезов этих песков типично переслаивание разностей различного гранулометрического состава, среди которых обычно преобладают плохо - и слабоотсортированные. Очень часто пролювиальные пески залегают в виде прослоев и линз в толще крупнообломочного материала. По плотности сложения они несколько предпочтительнее вышеописываемого песчаного делювия. Ограниченность распространения и отсутствия достаточного опыта использования чисто пролювиальных песков в качестве оснований сооружений не позволяет дать для них обобщающую инженерно-геологическую оценку, поэтому при изысканиях и наличии в общей массе песчаных отложений следует с особой тщательностью подходить к их исследованиям.

Аллювиальные  песчаные отложения и их инженерно-геологическая  оценка. Аллювиальные пески очень широко развиты в пределах равнинных территорий, где они встречаются как в современных речных долинах, так и вне их пределов.

Среди аллювиальных песков встречаются  различные по гранулометрическому  составу разности, отличающиеся структурно-текстурными  особенностями и  инженерно-геологическими свойствами. Эти характеристики, а  также строение аллювиальных песчаных толщ определяются прежде всего фациальными условиями их формирования Русловые пески. Эти отложения основного потока реки наименее дисперсны по сравнению с другими фациальными типами аллювиальных песков, формирующихся на том же отрезке реки. Общей характерной чертой русловых песков является закономерное изменение их дисперсности по продольному профилю реки: вниз по течению уменьшаются размеры зерен песка и одновременно с этим повышается его однородность. Русловые пески, как и другие типы аллювиальных песков, характеризуются слоистым сложением. Для них характерны разнообразные формы косой и диагональной слоистости. По минеральному составу русловые пески преимущественно кварцевые; неустойчивые минералы содержатся в них, как правило, в незначительном количестве. Невысокая дисперсность рассматриваемых песков, их достаточно хорошая отсортированность и окатанность, преобладающее среднее и рыхлое сложение обусловливают значительную их водопроницаемость, причем водопроницаемость русловых песков в горизонтальном направлении обычно выше, чем в вертикальном, что связано с особенностями текстуры их толщ.

Пойменные и старинные пески. В этой фации аллювия пески играют подчиненную роль. Главным образом они залегают в виде маломощных прослоев и линз в толще супесчаных и суглинистых пород (отложения ленточной микрофации, микрофации линзовидно-слоистых супесей и суглинков и др). Однако отмечено, что в долинах некоторых рек, особенно в районах широкого распространения флювиогляциальных песков, роль песчаных отложений в пойменном аллювии становится доминирующей.

Наиболее крупные  массы песчаных грунтов в толще  пойменного аллювия приурочены к  микрофации прирусловых валов. Прирусловые валы, как известно, формируются на границе русла и поймы на вогнутых сторонах речных меандр, по окраинам береговых отмелей. Эта микрофация представлена почти всегда и почти полностью косослоистыми песками. Следует напомнить, что эта микрофация занимает как бы переходное место между русловыми и пойменными отложениями, что существенным образом на ней и отражается. Пойменные и старичные пески представлены преимущественно мелко- и тонкозернистыми, а также пылеватыми песками, горизонтально- или линзовиднослоистыми, содержащими примесь глинистого, а иногда и органического материала. Эти пески имеют значительно меньшую водопроницаемость, сжимаемость и прочность по сравнению с русловыми отложениями.