Мосин К.Ю. Инженерная геология. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

частиц называют грунтами, а скальные грунты, у которых прочность

связей сопоставима с прочностью частиц – породами.

Грунты в классификации разделяются по видам связей между

частицами (см. табл. 5.1):

1. Жесткие, прочные связи, не изменяющиеся при увлажнении

(магматические, метаморфические, некоторые осадочные породы);

2. Жесткие, прочные связи, ослабляющиеся при увлажнении;

3. Подвижные водно-коллоидные связи, резко изменяющие свою

прочность при увлажнении или осушении;

4. Отсутствие связей.

Таблица 5.1.

Глава 2. Физические и физико-механические

свойства горных пород и грунтов

§1. Физические свойства. Показатели, характеризующие состав и

состояние горных пород и грунтов

Для горных пород определяют петрографический состав,

чтобы определить, к какой группе по классификации отнести данную

породу. Для несвязных (зернистых) и связных (глинистых) грунтов

определяют петрографический и минералогический состав.

Химический состав определяют для несвязных (зернистых) и связных

(глинистых) грунтов.

Гранулометрический состав (d) определяется для нескальных

(глинистых и обломочно-зернистых) грунтов.

Гранулометрический состав – процентное содержание в грунте

(по весу) фракций (частиц) того или иного размера (см. табл. 5.2).

Для обломочные грунтов гранулометрический состав

определяется путем поочередного просеивания на ситах с различными

отверстиями с взвешиванием каждой фракции.

Для глинистых грунтов, характеризующихся размерами частиц

менее 0,1мм - путем измерения скорости осаждения частиц в воде.

Таблица 5.2

Гранулометрический состав по ГОСТ-25100

Размер фракций, мм Наименование грунта

 200 Валуны, глыбы

10-200 Галька, щебень

2-10 Гравий, дресва

0,05-2

Песок: крупный 0,5

средний 0,25

мелкий 0,1

пылеватый (частиц 0,1мм менее 75%)

0,05-0,005 Пыль

0,005 Глина

Показателем плотности горной породы(e и n) является ее

пористость. Любая порода не является абсолютно плотным телом: в

магматических породах, при их остывании, образуются трещины

(отдельности или контракционные); при седиментации осадочных

пород появляются пустоты от пузырьков газа; в нескальных грунтах

отмечается неплотное прилегание частиц друг к другу. Процессы

выветривания также влияют на образование и развитие пустот.

V=Vn+Vск,

где V – изначальный объем грунта;

Vск – объем частиц или минерального скелета;

Vn – объем пустот.

Объем минерального скелета грунта (Vск) определяется после

высушивания грунта до полного испарения имеющейся в нем воды.

Объем пустот (Vn) – определяется как разница V-Vск.

Пористость грунта выражается в долях единицы и обозначается

буквой n.

n =

VckVn



х100.

Для нескальных грунтов также вычисляют коэффициент

пористости, который обозначается буквой е и выражается в процентах:

е =

Vck

VnV



Величины е и n взаимосвязаны:

n =

1

; е =

n1

Горные породы, в зависимости от состава и сложения, обладают

свойствами водопроницаемости, водопоглощения, водоотдачи и

растворения.

Влажностью породы (грунта) W называют отношение массы

воды в порах породы к массе минерального скелета породы

(выраженное в долях единицы):

W =

Pck

PckP 

Наибольшая возможная влажность, когда все поры заполнены

водой, называется полной влагоемкостью породы W

В естественном залегании порода, в зависимости от условий,

обладает влажностью от 0 до W

Критерием заполнения пор в породе служит коэффициент

водонасыщения или степень влажности G.

По степени влажности различаются обломочные (несвязные)

грунты:

G ≤ 0, 5 - сухие и маловлажные грунты;

0,5 < G < 0,8 - влажные и очень влажные грунты;

0,8 < G ≤ 1- водонасыщенные грунты.

Плотность (удельная масса) горной породы, это отношение

вещества породы к объему вытесненной ей воды:

уд

Pck

Vck

Объемная масса (ρ

об

) – отношение массы образца породы

ненарушенного строения к ее объему:

об

если высушить породу (удалить из нее воду) и при этом объем не

изменится, то получим объемную массу скелета (ρ

ск

Pck

Различие между всеми этими показателями обусловлено

наличием в породе пор, в той или иной степени заполненных водой.

Эти показатели, а также пористость, коэффициент пористости и

влажность взаимосвязаны между собой:

уд

1



= ρ

ск

(1+ е),

об

= ρ

ск

(1+ W),

W =

Pck

PckP 

ckоб







Пример: V образца = 100 см

; Р (масса) = 180г; Рск (масса

после высушивания) = 144г;



уд(плотность) = 2,7г/см

W =

144

144180 

=0, 25;



об =

100

180

=1, 8 г/см

;



ск =

100

144

=1, 44

г/см

;

е =

44,1

7,2

=0,875

100 = 87,5%; n =

7,2

44,1

1

=0,466.

Глинистые грунты обладают свойством пластичности, то есть

способностью изменять форму без разрывов и трещин под

воздействием внешних сил. После удаления воздействия полученная

форма сохраняется.

Грунты бывают пластичными только при определенной

влажности. Если влажность глинистого грунта повышать, то в

определенный момент он потеряет свойство пластичности и перейдет в

текучее состояние (состояние вязкой жидкости). Величина влажности

при этом называется границей текучести (или влажностью на границе

текучести) W

При обратном процессе уменьшения влажности грунт переходит

в состояние твердого тела и тоже теряет пластичность (становится

хрупким). Влажность грунта, при которой он теряет пластичность,

называется влажностью на границе раскатывания W

Разность между этими двумя границами влажности называется

числом пластичности грунта J

= W

. - W

Для непластичных (песчаных) грунтов с незначительной

примесью глинистых частиц J

< 1; такие грунты называют песками.

Для грунтов с преобладанием песчаных частиц и содержанием

глинистых частиц от 3 до 10% 1 < J

< 7; это – супеси.

При содержании глинистых частиц от 10 до 30% 7 < J

< 17

(суглинки).

При содержании глинистых частиц свыше 30% J

> 17 (глины).

В зависимости от влажности, глинистые грунты могут быть в

трех состояниях: твердом, пластичном и текучем. Для целей

строительства пластичное состояние разделяют еще на 4 градации:

полутвердую, тугопластичную, мягкопластичную и текучепластичную.

Для их выделения введено понятие показателя консистенции

WpW )( 

или

WpWl

WpW



Для глинистых грунтов различной консистенции величина

показателя консистенции колеблется в следующих пределах:

- твердые J

≤ 1;

- полутвердые 0 < J

≤ 0,25;

- тугопластичные 0,25 < J

≤ 0,5;

- мягкопластичные 0,5 < J

≤ 0,75;

- текучепластичные 0,75 < J

≤ 1;

- текучие J

> 1.

Плотность сложения обломочных (зернистых) грунтов

определяется и подразделяется по величине коэффициента пористости

е.

Грунты разделяются на три группы (см. рис. 5.1):

- рыхлые е >0,7;

- средней плотности 0,55< е <0,7;

- плотные е <0,55.

Рис. 5.1. Схема расположения шаровых частиц:

а– самое рыхлое; б – промежуточное; в – самое плотное.

В этом и следующих разделах рассматриваются показатели,

которые определяются для скальных грунтов (горных пород).

Временным сопротивлением одноосному сжатию R называется

прочность образца скального грунта (цилиндрической или кубической

формы) при раздавливании.

По величине временного сопротивления одноосному сжатию

породы разделяются на следующие группы:

- очень прочные R >120 МПа;

- прочные 50 < R ≤ 120 МПа;

- средней прочности 15 < R ≤ 50 МПа;

- малопрочные 5 ≤ R ≤ 15 МПа;

- полускальные R < 5 МПа.

При водонасыщении (заполнении пор и трещин водой) различные

породы в разной степени снижают свое сопротивление одноосному

сжатию. Коэффициент размягчаемости К

равен отношению

сопротивления сжатия в водонасыщенном и воздушно-сухом

состоянии:

сух

водонас

По величине К

породы разделяются на:

- размягчаемые К

< 0,75;

- неразмягчаемые К

≥ 0,75.

Под степенью выветрелости (коэффициентом выветрелости

) понимают отношение объемной массы образца выветрелого грунта

к объемной массе невыветрелого образца того же грунта:

монРоб

вывРоб

- для невыветрелых (монолитных) пород К

=1;

- для слабовыветрелых (трещиноватых) пород 0,9 ≤ К

< 1;

- для выветрелых (в виде скопления отдельных кусков,

переходящих в трещиноватую скалу) пород 0,8 ≤ К

< 0,9;

- для сильновыветрелых пород или рухляков (находящихся в

виде отдельных кусков во всем массиве) К

< 0,8.

По степени растворимости в воде, сцементированные

осадочные породы подразделяются на следующие группы:

- нерастворимые породы (растворимость менее 0,01г/л);

- труднорастворимые (0,01 – 1г/л);

- среднерастворимые (1 –10г/л);

- легкорастворимые (более 10г/л).

§ 2. Физико-механические свойства

К этой группе относятся характеристики грунтов, на основании

которых делаются расчеты прочностных и несущих свойств

непосредственно для строительства. Эти характеристики определяются

на основании физических свойств грунтов.

Сжимаемость грунта определяется способностью пор

уменьшаться в своем объеме под нагрузкой вследствие более плотной

укладки в грунте слагающих его частиц. Иными словами, сжимаемость

грунта – это деформация без разрушения. При этом пористость n и

коэффициент пористости e уменьшаются. Очевидно, что сжимаемость

свойственна только нескальным дисперсным породам (грунтам).

Скальные породы, даже обладающие высокой пористостью (пемза),

вследствие наличия у них жестких внутренних связей, практически

несжимаемы.

Деформируемость горной породы (или грунта) под нагрузкой

определяется ее прочностью. Вместе с тем в конечном итоге прочность

определяется их сопротивляемостью пород или грунтов сдвигу,

которая в общем виде может быть представлена зависимостью:

ctgpS 



где

- действующее напряжение (нагрузка);



-угол внутреннего трения;

- жесткое структурное сцепление.

Природа внутреннего трения в грунтах. Все грунты и породы

состоят из частиц определенного размера и шероховатости. При

соприкосновении и прижатии одной частицы к другой, между

частицами возникают силы трения, проявляющиеся при взаимном их

смещении. Силы трения характеризуются коэффициентом трения f,

который может быть выражен через угол внутреннего трения φ.

Природа структурного сцепления. Структурное сцепление

придает породе (грунту) определенную жесткость, твердость. Этот вид

сцепления обусловлен наличием в породе некоторых жестких связей,

действующих между слагающими ее частицами. Структурное

сцепление особенно характерно для скальных пород, где оно

практически определяет прочность породы. В глинистых грунтах

структурное сцепление выражено значительно менее ясно. В сыпучих

грунтах структурное сцепление практически отсутствует, только у

плотных разностей возникает некоторое взаимное зацепление зерен,

что может рассматриваться, как проявление структурного сцепления.

Показатель, который характеризует водопроницаемость породы

(грунта) и зависит от ее пористости или трещиноватости, называется

коэффициентом фильтрации

. Величина коэффициента

фильтрации зависит не только от пористости или трещиноватости, но и

от напора фильтрующейся через породу воды. В общем случае,

наибольшие коэффициенты фильтрации у крупнообломочных сыпучих

грунтов (галечников, гравийников) и сильнотрещиноватых пород,

наименьшие – у глинистых грунтов и монолитных пород.

Дополнительные деформации грунтов, находящихся под

нагрузкой, проявляющиеся под воздействием дополнительных

факторов, называются просадкой (или просадочностью некоторых

грунтов). К просадочным грунтам относятся лессы и лессовидные

суглинки, обнаруживающие свои просадочные свойства при

замачивании, мерзлые грунты, проявляющие просадочность при

оттаивании, и водонасыщенные песчаные рыхлые грунты,

проявляющие просадочность при встряхивании (вибрации).

К группе физико-механических свойств можно отнести и

сопротивление одноосному сжатию, рассмотренное в предыдущем

разделе.

Значительно реже определяют такие характеристики скальных

грунтов, как сопротивление сколу, растяжению, изгибу, кручению.

ЧАСТЬ VI. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Глава 1. Виды подземных вод

К подземным относят воды, которые находятся в порах,

трещинах или пустотах горных пород и грунтов, обладающих

водоотдачей, то есть, содержащаяся в них вода является свободной,

способной перемещаться (см. рис. 6.1). Подземные воды и все, что с

ними связано, изучает геологическая наука гидрогеология.

По своему происхождению подземные воды подразделяются на

три группы:

1. Остаточные подземные воды это – воды бывших морских

водоемов, которые находились в донных морских осадках и

сохранились в них после отступления моря и накопления сверху новых

осадков. Остаточные воды характеризуются повышенной

минерализацией (рассолы) и залегают на очень больших глубинах.

2. Ювенильные подземные воды образовались при конденсации

выделяемых магмой паров воды. В процессе проникновения в верхние

горизонты земной коры, часто смешиваются с водами другого

происхождения, образуя так называемые минеральные воды, обычно

высокотемпературные.

3. Инфильтрационные подземные воды образуются в результате

инфильтрации (просачивания) выпадающих на земную поверхность

осадков вглубь Земли.