Menu

Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

Наименование грунта принимают по первому удовлетворяющему показателю в порядке их расположения.

Форма твердых частиц грунта также существенно влияет на его свойства. Глинистые частицы имеют в основном пластинчатую и даже игольчатую форму, что увеличивает удельную поверхность частиц и способствует сжимаемости глинистых грунтов. Форма песчаных и более крупных частиц в зависимости от истории образования (генезиса) грунта может меняться в широких пределах: от очень окатанных, гладких частиц, близких по форме к шару, до неокатанных, угловатых и пластинчатых.

Общепринятого метода оценки формы частиц не существует. В большинстве случаев оценивают форму зерен «на глаз» по предложенным различными авторами таблицам конфигурации частиц.

В качестве числовых характеристик поверхности и формы частиц чаще всего используют коэффициент округленности, или окатаннос- ти, а и коэффициент сферичности р"

Коэффициент окатанности

[image]

 (1.2)

где гI — радиус кривизны отдельных участков контура частицы; п — число участков, для которых определялись радиусы г; К — радиус круга, вписанного в контур частицы (рис. 1.2, а) Коэффициент сферичности (рис. 1.2, б)[image][image]

Р = Рч/Ря , (1.3)

где Рч — площадь проекции каждого зерна; — площадь круга, описанного вокруг проекции зерна.

В случае идеальной формы частиц, т. е. гладких шаров, коэффициенты сферичности и окатанности равны 1. Чем больше действительная форма частиц отличается от шара, тем (3 меньше единицы. Коэффидиент а при негладкой, например бугристой, поверхности частицы,, даже близкой по форме к шару, может быть значительно меньше 1, поэтому для обобщенной оценки формы и характера поверхности частиц предложен коэффициент формы

Кф = *$, (1.4)

который для идеального гладкого шара равен 1.

Рис. 1.2. Определение коэффициентов окатанности и сферичности частиц

[image][image]

Для определения формы частиц песка их фотографируют, увеличив с помощью микроскопа. Чтобы получить осредненные данные, коэффициент формы определяют для 50... 100 частиц.[image]

Основным недостатком описанных, способов является то, что коэффициенты аир определяют по плоскостному изображению частиц. Частицы с ярко выраженными систематическими отклонениями формы от шарообразной, например при пластинчатой форме, укладывают на предметное стекло микроскопа определенной плоскостью поверхности, в этом случае всегда получается только «однобокое» изображение. Более достоверны объемные характеристики, например:

•Кф.о = Рч/Рц, (1.5)

где Р'ч — площадь поверхности частицы; Р'н — площадь поверхности равного ей по объему или массе шара. Однако доступных методов прямого определения Р'ч не имеется.

Жидкая составляющая грунта. Поры грунта частично или полностью заполнены жидкостью. В строительных условиях такой жидкостью в основном является вода. Вода в грунтах может быть в парообразном, жидком и твердом состояниях. Водяной пар в смеси с газами рассматривается в составе газообразной составляющей. В твердом состоянии вода находится в грунтах в виде льда, а также в виде кристаллизационной воды, входящей в строение кристаллических решеток различных минералов, т. е. в составе твердой фазы.

В основу современных представлений о видах воды и характере их взаимодействия с твердыми частицами положены исследования А. Ф. Лебедева, Б. В. Дерягина, П. А. Ребиндера и др. В жидком состоянии вода может быть в связанном и свободном виде.

Связанная вода. Твердые частицы с поверхности несут отрицательный заряд (рис. 1.3) и образуют вокруг себя электрическое поле. Молекулы воды в целом нейтральны, но поскольку атомы водорода и кислорода расположены в ней несимметрично, они являются диполями, один конец которых соответствует положительному, а другой отрицательному полюсу. Вследствие этого молекулы воды, расположенные на достаточном расстоянии от поверхности твердых
частиц хаотически, вблизи твердых частиц ориентируются положительным концом по отношению к их поверхности. Электромолеку- лярное притяжение непосредственно около поверхности частиц достигает нескольких сот МПа. Поэтому первые слои молекулы воды притягиваются к поверхности частицы особенно сильно и образуют слой прочно связанной воды в зависимости от химического состава твердых частиц и воды, содержащей до нескольких десятков рядов молекул с общей толщиной слоя до 10“6 см. Наиболее прочно связанную часть воды иногда называют гигроскопической, а слой наиболее ориентированных молекул воды — гидратным.

[image]

Рис. 1.3. Схема строения слоя связанной воды:

/ — твердая частица; II — связанная вода; III — свободная вода; I — слой прочно связанной воды (гидратный слой); 2 — слой рыхло связанной воды (диффузионный слой)

Электромолекулярные силы с расстоянием от частицы резко убывают, и поэтому более удаленную часть слоя связанной воды иногда называют рыхло связанной (см. рис. 1.3).

Отрицательно заряженные твердые частицы притягивают к себе и удерживают положительно заряженные катионы водорода, натрия, калия, кальция, алюминия и др., содержащиеся в поровой воде. Катионы, в свою очередь, имеют по нескольку ориентированных по отношению к ним молекул воды и в результате образуется диффузный слой (см. рис. 1.3), плотность которого возрастает с приближением к поверхности частицы. Иногда эту часть слоя связанной воды называют пленочной Что же касается отрицательно заряженных ионов, т. е. анионов, то вследствие их отталкивания отрицательно заряженной поверхностью частиц концентрация их по мере приближения к частице уменьшается (см. рис. 1.3), а по мере удаления увеличивается. Расположенные в пределах диффузного слоя катионы составляют совместно с отрицательно заряженной поверхностью твердой частицы так называемый двойной электрический слой.

Связанная вода, особенно вблизи от поверхности частиц, обладает повышенной плотностью, имеет большую вязкость, а температуру замерзания ниже 0°С. Таким образом, по своим свойствам связанная вода значительно отличается от свободной. Существенно то, что в ней мала роль сил собственного веса воды по сравнению с силами молекулярного взаимодействия с твердыми частицами. Поэтому количество связанной воды в грунте и в особенности ее соотношение с количеством свободной воды в грунте в значительной мере определяет свойства грунтов. В песчаных и тем более крупнообломочных грунтах благодаря относительно малой удельной поверхности частиц объем связанной воды, распределенной по поверхности частиц, очень мал. В глинистых грунтах, наоборот, в результате колоссальной удельной поверхности частиц объем связанной воды велик и в плотных глинах или суглинках почти все поры могут быть заполнены связанной водой. Этим и определяется роль удельной поверхности и поверхностной активности частиц в формировании свойств грунтов и резком качественном отличии песчаных грунтов от глинистых.

Для удаления и перемещения связанной воды, особенно находящейся ближе к поверхности твердых частиц, требуются значительные силовые воздействия. Однако если две одинаковые соседние частицы грунта имеют разные по толщине пленки связанной воды, то вода из толстой пленки перемещается в тонкую, пока толщина пленок не станет одинаковой. Поэтому в случае высыхания верхних слоев грунта и, как следствие, местного уменьшения толщины пленок вокруг частиц в природе наблюдается движение — миграция влаги из нижних слоев глинистого грунта, содержащих больше воды» к верхним.

Молекулы внешних зон слоя связанной воды могут отрываться потоком фильтрующей свободной воды, а также выжиматься из контактов между твердыми частицами при приложении нагрузки. В результате две частицы, прижатые одна к другой внешней нагрузкой (рис. 1.4, а), имеют в зоне контакта уменьшенную толщину пленок связанной воды. Если убрать прижимающую силу, т. е. «разгрузить» грунт, что, например, возникает при отрытии котлованов, то элект- ромолекулярные силы, стремясь восстановить пленку связанной воды, вызовут увеличение ее толщины в зоне контакта (рис. 1.4, б), что возможно только при некоторой раздвижке частиц грунта. Получается, что связанная вода раздвигает, как бы «расклинивает» частицы грунта. Поэтому такое явление было названо Б. В. Дерягиным расклинивающим эффектом.

Свободная вода. В грунтах свободную воду в основном подразделяют на гравитационную и капиллярную.

Гравитационная вода обладает обычными, общеизвестными свойствами, перемещается в порах грунта под воздействием разности напоров. Следует особо подчеркнуть, что необходимым условием движения свободной воды на каком-либо участке является только наличие разности напоров на этом участке, а наличие или отсутствие разности давлений в воде не обязательно служит признаком движения или покоя поровой воды.

Рис. 1.5. Капиллярное поднятие воды в трубке (а), эпюра давлений в воде (б) и зона капиллярного поднятия воды в грунте (в)

Поры в грунте образуют сложную по конфигурации систему капиллярных каналов и поэтому в них наблюдается капиллярное поднятие воды. Капиллярное поднятие, как известно, определяется явлениями смачивания водой поверхности минеральных частиц и так называемыми «силами поверхностного натяжения воды». В результате явлений смачивания вода, расположенная у стенок капиллярной трубки, опущенной в бассейн с водой (рис. 1.5, а), поднимается тем больше, чем она ближе к поверхности стенок капилляра. Вследствие этого происходит искривление поверхности жидкости внутри трубки, причем выпуклость поверхности жидкости (мениск) оказывается направленной в сторону жидкости (вогнутый мениск). В этом случае давление в жидкости под вогнутой частью поверхности будет меньше, чем под плоской поверхностью воды в бассейне. Если считать, что на плоской поверхности жидкости действует атмосферное давление, то под вогнутым мениском давление в воде будет меньше атмосферного. Тогда состояние равновесия жидкости внутри капиллярной трубки возможно только в том случае, если на уровне, соответствующем поверхности окружающей трубку гравитационной воды (в грунте горизонту грунтовых вод — ГГВ), давление в воде также будет равно атмосферному (или условному нулю, как на рис. 1.5, б). Вследствие этого вода в трубке или грунте должна подняться над уровнем воды в бассейне (или ГГВ) на высоту Ик, называемую высотой капиллярного поднятия, при которой в трубке или грунте над уровнем питающего бассейна (или ГГВ) давление будет равно атмосферному или условному нулю.

[image]

Рис. 1.4. Схема «расклинивающего» действия связанной воды

 

Таким образом, мениски как бы опираются на стенки капиллярной трубки или на поверхность твердых частиц и вследствие натяжения поверхностной пленки воды поддерживают или «тянут» за собой воду на высоту капиллярного поднятия. Естественно, что в пределах этой высоты возникают отрицательные (меньшие атмосфер-

воды высотой /г„, передают нагрузку, равную весу этого столба, на стенки капиллярной трубки или твердые частицы. Эта нагрузка, приложенная к твердым частицам или стенкам трубки на уровне менисков (рис. 1.5, а, б), называется капиллярным давлением и соответствующие ему сжимающие напряжения легко определяются как <т„ = уН к, где у — удельный вес воды.

Кривизна менисков, а следовательно, и высота капиллярного поднятия тем больше, чем меньше диаметр капиллярной трубки, или применительно к грунтам, чем меньше размер пор — каналов, что чаще всего определяется зерновым составом грунта. В крупных песках высота Нк мала и не превышает нескольких сантиметров, но в пылеватых песках и тем более супесях достигает 1,5...3м. Явления капиллярного поднятия присущи только свободной воде и поэтому в более мелкозернистых грунтах, например глинах, содержащих в основном связанную воду, капиллярный подъем не проявляется и перемещение воды определяется описанными выше молекулярными силами взаимодействия твердых частиц и связанной воды.

 

Рис. 1.6. Капиллярностыковая вода в песчаных грунтах

В случае если вода заполняет поры грунта только частично, то она сосредоточивается в контактах между частицами или в наиболее узких порах в виде отдельных несвязанных один с другим объемов (рис. 1.6, а). В этом случае на каждой границе газа с водой также образуются мениски (рис. 1.6, б), которые вызывают растягивающие напряжения (отрицательные давления) в воде и сжимающие напряжения в твердой фазе грунта, интенсивность которых зависит, как и раньше,от кривизны менисков, т. е. в значительной мере от размеров пор или частиц грунта. Такая вода иногда называется капиллярно-стыковой и создает внутреннее капиллярное давление (напряжения всестороннего сжатия) по всему объему влажного грунта. В результате сухой сыпучий песок при его небольшом увлажнении приобретает связанность и может держать хотя и сравнительно небольшие, но вертикальные откосы. При высыхании или значительном увлажнении мениски и силы внутреннего капиллярного давления исчезают и песок снова становится сыпучим.

Газообразная составляющая грунта. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже в основном азотом, метаном, сероводородом и другими газами, а также везде обязательно присутствует некоторое количество водяного пара. Газ в грунте может быть в свободном состоянии или растворен в воде. Свободный газ подразделяют на незащемленный, сообщающийся с атмосферой, и защемленный, не имеющий непосредственной связи с атмосферой. Незащемленный газ может находиться только в пределах небольшой глубины от поверхности (1...2 м), ниже даже выше горизонта грунтовых вод весь газ практически защемлен. Защемленный газ оказывает существенное влияние на свойства грунтов и особенно на протекающие в них процессы.

Следует отметить, что даже в водонасыщенном грунте в воде всегда имеется как растворенный в ней газ, так и некоторое количество пузырьков газа. С повышением давления и понижением температуры количество растворенного газа в воде увеличивается. При уменьшении давлений в воде, вызванном, например, отрытием котлована или водопонижением, а также при повышении температуры объем пузырьков защемленного газа в грунте увеличивается. Это происходит,, с одной стороны, вследствие расширения заключенного в воде газа, а с другой, вследствие выделения газа, растворенного в воде. При подъеме из глубоких скважин на поверхность образцов даже полностью водонасыщенных грунтов растворенный в воде газ вследствие уменьшения давления бурно выделяется в виде пузырьков и может» раздвигая частицы, существенно нарушать природную структуру образца грунта. Таким образом, говоря о полностью водонасыщенном грунте, следует понимать, что рассматриваемый грунт содержит при данной температуре и данном распределении давления в воде то или иное количество растворенного в воде газа, а также хотя бы пренебрежимо малое число пузырьков газа. При любом изменении давлений или температуры воды, заполняющей поры, происходит процесс газои паровыделения или растворения газа и конденсации пара, расширения или сжатия газовых пузырьков. Это сопровождается изменением напряженного состояния и объема грунта, а как следствие, изменением его деформационных и прочностных свойств.

Давление в незащемленном поровом воздухе равно атмосферному» тогда как давление защемленного газа зависит от поверхностного натяжения воды на контакте с газом защемленного пузырька. Это давление превышает давление в окружающей воде на величину капиллярного давления, определяемого по формуле Лапласа

Ра = 2«/г, (1.6)

где а — поверхностное натяжение воды; г — радиус пузырька защемленного газа, который обычно меньше радиуса поры грунта.

Таким образом, чем меньше размер газового пузырька (размер пор), тем больше в нем давление и поэтому в глинистых грунтах дополнительное давление ра может быть весьма значительным (0,02... 0,2 МПа).

В результате давление внутри газового пузырька

Рг= рв + 2а./г, (1.7)'

где рв — полное давление в окружающей воде (включая атмосферное давление).

Вода и тем более твердые частицы малосжимаемы и поэтому содержание в водонасыщенном грунте даже небольшого количества газовых пузырьков значительно увеличивает общую сжимаемость среды, проявляющуюся в случае отсутствия быстрого оттока воды из пор грунта. Особенно ярко влияние наличия небольшого количества газа проявляется при действии кратковременных, в частности динамических, нагрузок. Так, при взрывах в полностью водонасыщенных песках скорость распространения образующейся ударной
волны порядка 1500.. .1600 м/с, а давление в грунте на фронте ударной волны достигает нескольких десятков и сотен МПа. Наличие в таком грунте 4...2% от всего объема пузырьков защемленного газа снижает скорости распространения взрывных волн до 150...400 м/с, а давление в 20... 10 раз.

Структура и связность грунтов. Под структурой грунта понимают взаимное расположение различных по крупности и форме минеральных частиц и агрегатов и характер связей между ними, обусловленных всей предысторией грунта. Связи между частицами и отдельными агрегатами грунта часто называют структурными связями. Особенности структуры грунтов и природа связей между частицами исследовались П. А. Ребиндером, Н. Я- Денисовым, А. К- Ларионовым, С. В. Нерпиным, Т. Лэмбом и др.

Для удобства решения и изложения некоторых задач в механике грунтов широко используют вспомогательное понятие скелета грунта. Под этим наименованием понимается совокупность твердых частиц грунта, наиболее связанной с ними воды и «жестких» связей между частицами, если они имеются.

Прочность структуры грунта, т. е. ее сопротивление изменению взаимного расположения частиц грунта и их агрегатов, зависит от прочности связей между ними.

Все грунты делят на связные и несвязные■ Связные грунты отличаются от несвязных (сыпучих) грунтов способностью воспринимать хотя бы небольшие растягивающие напряжения и сохранять без обрушения вертикальные откосы.

Связность грунтов объясняется: молекулярными силами взаимодействия между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде (водно-коллоидные структурные связи); цементационными и кристаллическими связями, соединяющими частицы грунта; капиллярными силами (давлением) в грунте.

При сближении глинистых частиц, когда расстояние между ними станет равным двойной толщине диффузного слоя (см. рис. 1.3), достаточно ярко проявляется сопротивление дальнейшему их сближению вследствие наличия сил отталкивания между одноименно заряженными диффузными слоями. Однако, если преодолеть это сопротивление, то при дальнейшем сближении этих частиц, когда толщина зазора между ними мала и не превышает 1...2 десятков молекул воды, проявляются силы молекулярного взаимодействия (силы притяжения — силы Ван-дер-Ваальса) непосредственно между твердыми частицами.

Таким образом, при сближении мельчайших частиц одновременно действуют силы отталкивания и притяжения, поэтому связность грунта создается в результате преодоления молекулярными силами сил отталкивания диффузных слоев. Естественно, что чем ближе друг к другу частицы и меньше разделяющая их пленка связанной воды, т. е. чем плотнее грунт, тем прочнее молекулярные структурные связи. В результате глинистые коллоидные частицы, обволакивая более крупные частицы и «склеиваясь» между собой и с крупными частицами под действием молекулярных сил, создают сложную структуру.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:5370 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8483 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:5230 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Способи вивірки прямолінійності

Вивірка прямолінійності в основному ставиться до робіт по установці й контролю положення технологічного встаткування. При цьому мається на увазі установка в заданому створі фіксованих на обладнанні точок, що збігаються з...

30-05-2011 Просмотров:5257 Інженерна геодезія

Керноприемник для поинтервального отбора…

Забивной керноприемник для поинтервального отбора проб грунта из внутренней полости колонны труб и моноопоры отличается от известных конструкций отсутствием связи между ударной штангой 2 и керноприемным стаканом 7 в процессе...

30-01-2011 Просмотров:5840 Морские буровые моноопорные основания

Понятие об уравнивании геодезической сет…

При создании геодезической сети всегда измеряют избыточное, то есть большее, чем это необходимо, количество элементов сети (расстояний, углов, превышений). При этом вследствие погрешностей результаты измерений оказываются не согласованными между собой...

13-08-2010 Просмотров:8130 Инженерная геодезия. Часть 1.