Свойства грунтов

Рассмотрим группу характеристик грунта, которые используют при расчетах несущей способности основания или откоса, давления на крепь горных выработок или подпорную стенку и т. д. Свойства грунтов объединены в группы: физические, водно-физические и характеристики мерзлых грунтов; ниже рассмотрены первые две группы.

Физические свойства

Эта группа включает характеристики, отражающие влажность, плотность, удельный вес, пористость (рис. 1), тепловые, электрические, магнитные и другие свойства.

Рис. 1. Графическое изображение физических характеристик грунта:
а — влажности; б — плотности; в — удельного веса; г — пустотности. 1, 2, 3 — соответственно газовый, жидкий и твердый компоненты грунта; 4 — вес грунта, сниженный за счет взвешивающего действия воды

К характеристикам влажности относят природную и гигроскопическую влажности, максимальную молекулярную влагоемкость и степень влажности (см. рис. 1, а). Первые три характеристики ω, ω_g и ω_mmc — это отношение массы воды в грунте естественного состояния, воздушно-сухом и содержащем только рыхлосвязанную пленочную воду, к массе сухого грунта. Степень влажности S_r — это отношение природной влажности к влажности полного водонасыщения. Все четыре характеристики выражаются в долях единицы.

Степень влажности определяется расчетным путем, а три другие характеристики — экспериментально по ГОСТ 5180–2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». Сохранять ненарушенную структуру образца при этом не требуется.

Степень влажности является классификационной характеристикой, с ее помощью грунты разделяют на маловлажные (0–0,5), влажные (0,5–0,8) и водонасыщенные (0,8–1). Три другие характеристики используются в расчетах других показателей (табл. 1).

К характеристикам, отражающим концентрацию массы вещества в грунте, относятся четыре разновидности плотности: плотность грунта ρ, плотность сухого грунта ρ_d, плотность частиц грунта ρ_s и плотность грунта при влажности полного водонасыщения ρ_sat. Во всех случаях это отношение массы к объему (см. рис. 1, б). Плотность грунта и частиц грунта определяют прямыми экспериментальными методами по ГОСТ 5180–2015, а плотности сухого и полностью водонасыщенного грунта — расчетом (см. табл. 1).

При определении плотности грунта ρ требуется сохранять природную влажность и ненарушенную структуру. Все четыре характеристики не являются классификационными и используются в расчетах других показателей. Измеряют их в килограммах на кубический метр.

Таблица 1. Формулы для расчета физических характеристик грунта
Примечание. ρ_ω — плотность воды, ρ_ω = 1000 кг/м³.

К характеристикам, отражающим концентрацию веса грунта, относятся удельный вес грунта γ, удельный вес сухого грунта γ_d, удельный вес частиц грунта γ_s, удельный вес с учетом взвешивающего действия воды γ_sb и удельный вес полностью водонасыщенного грунта γ_sat (см. рис. 1, в). Определяют эти показатели расчетом, путем умножения соответствующей плотности на ускорение свободного падения. Удельный вес грунта используется для расчета давления от собственного веса грунта и других, связанных с ним давлений, а также характеристик и процессов, где нужно знать вес грунта или его частей. Удельный вес измеряют в килоньютонах на кубический метр.

К характеристикам, отражающим содержание пустот в грунте, относятся коэффициент трещинной пустотности, пористость и коэффициент пористости. Коэффициент трещинной пустотности k_тр относится к трещиноватым грунтам, представляет собой отношение площади (объема) трещин к общей площади обнажения (объему блока) и измеряется в долях единицы. Этот показатель чаще всего определяют прямыми обмерами трещин в полевых условиях на обнажениях и на кернах или фотоспособом в скважинах. Он служит классификационной величиной и используется для отнесения массива грунта к одной из категорий по трещиноватости. Пористость n и коэффициент пористости e используют для оценки пустот в грунте с равномерным их распределением. Пористость — это отношение объема пор к общему объему грунта, а коэффициент пористости — отношение того же объема пор к объему твердой части грунта. Таким образом, пористость n представляет собой долю объема грунта, приходящуюся на пустоты, а коэффициент пористости e — соотношение объемов пор и твердой части грунта. Обе характеристики выражаются в долях единицы и связаны между собой (см. табл. 1 и рис. 1, г).

Определяют их чаще всего расчетом с использованием других характеристик. Пористость применяют в расчетах других показателей, а коэффициент пористости также служит классификационной величиной для оценки плотности сложения песка и выделения ила из глинистого грунта.

Другие физические характеристики используются в горном деле редко и здесь не приводятся.

Водно-физические свойства грунтов

Это большая группа характеристик, отражающих взаимодействие грунта с неподвижной и движущейся водой.

Рассмотрим некоторые характеристики, имеющие наибольшее значение при определении устойчивости бортов карьеров, зоны подтопления горных работ и т. п.

Установлено, что глинистые грунты при увеличении влажности от нуля до полного водонасыщения переходят из твердого состояния в пластичное, а затем — в текучее. Каждое из них можно оценить способностью грунта сохранять форму под действием собственного веса и характером деформации при разрушении.

В твердом состоянии грунт сохраняет форму и разрушается с образованием трещин. Пластичный грунт также сохраняет форму, но разрушается без образования трещин, пластично, подобно очень вязкой жидкости. Текучее состояние отличается тем, что деформирующийся без разрывов грунт не сохраняет форму образца и принимает форму сосуда.

Состояние грунта разграничивают по искусственно подбираемым влажностям, которые называются влажностью на границе пластичности ω_p, соответствующей точке его перехода из твердого состояния в пластичное, и влажностью на границе текучести ω_L на переходе из пластичного в текучее состояние (по ГОСТ 5180–2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»). Значения этих влажностей используют для вычисления числа пластичности I_p по формуле

Число пластичности — это интервал влажности, в пределах которого грунт находится в пластичном состоянии. Оно используется как классификационный показатель для отделения глинистого грунта от песчаного и для определения его названия. По действующему ГОСТ 25100-2020 (табл. Б.13) супесь имеет число пластичности от 1 до 7 %, суглинок — от 7 до 17 %, глина — более 17 %.

Состояние (консистенция) грунта оценивается показателем текучести I_L:

где ω — природная влажность.

Из этой формулы следует, что при ω < ω_p числитель становится меньше нуля (показатель текучести будет отрицательным), а при ω > ω_L — больше единицы. Таким образом, если показатель текучести отрицательный, то глинистый грунт находится в твердом состоянии, если больше единицы — то в текучем, а в интервале от нуля до единицы — в пластичном.

Рис. 2. Кривые гранулометрического состава песчано-пылевато-глинистых грунтов:
1, 2 — тяжелая и легкая глина по классификации В. В. Охотина; 3 — суглинок; 4 — супесь; 5–7 — песок (5 — неоднородный, 6 — однородный, 7 — гравелистый)

В практическом отношении важно, что показатель текучести связан с прочностью, сжимаемостью и другими характеристиками грунта. Зная наименование глинистого грунта и значение его показателя текучести, можно оценить его строительные свойства и предвидеть поведение под нагрузками.

Плывунность, так же как и разжижаемость, присуща водонасыщенным мелкозернистым песчаным или песчано-пылевато-глинистым грунтам рыхлого сложения. Она проявляется при вскрытии пласта грунта горной выработкой. К разжижению приводит воздействие гидродинамического давления, т. е. большой перепад давлений воды в пласте и выработке. К такому же разжижению песков и переходу их в подвижное состояние приводит воздействие динамических нагрузок на песчано-коллоидные тиксотропные грунты.

А. Ф. Лебедев разделил плывуны на истинные, или «злостные» плывуны и псевдоплывуны, или пассивные.

Истинными плывунами называют водонасыщенные пески, содержащие пылевато-глинистые и коллоидные частицы. Эти грунты отличаются высокой (более 0,4) пористостью, плохо отдают воду, обладают низкими значениями коэффициента фильтрации, способны переходить в тиксотропное состояние под действием динамической нагрузки.

Псевдоплывуны — те же грунты, но без глинистых и коллоидных частиц. Они лучше отдают и фильтруют воду. Для разжижения псевдоплывунов требуется более высокое гидродинамическое давление.

Плывуны сильно затрудняют строительные и горнопроходческие работы. Известны случаи, когда попытки вычерпать плывун приводили к оседанию поверхности на значительном расстоянии от выработки.

По гранулометрическому составу истинные плывуны — пылеватые и заглинизированные пески с примесью коллоидных частиц. При коэффициенте фильтрации 0,2–2 м/сут нормы предусматривают для таких грунтов вакуумное водопонижение: вакуумные иглофильтры или вакуумные скважины, причем песчаная обсыпка фильтров обязательна из-за опасности выноса мелких частиц (СП 45.13330.2017, пп. 5.3–5.4; СП 250.1325800.2016, п. 7.4.3).

Кроме того, применяют устройство шпунтовых ограждений и других противофильтрационных завес, заглубленных в водоупор, а также закрепление грунта замораживанием или силикатизацией (по СП 250.1325800.2016, пп. 8.14–8.17, — только при коэффициенте фильтрации не ниже 0,5 м/сут). Псевдоплывуны легче отдают воду, и для них обычно достаточно гравитационного водопонижения: можно использовать осушение массива легкими иглофильтрами или скважинами.

Источники

• ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»
• ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация» — табл. Б.13
• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — пп. 5.3, 5.4
• СП 250.1325800.2016 «Здания и сооружения. Защита от подземных вод» — пп. 7.4.3, 8.14–8.17

В истинных плывунах вынос грунта вызывает не сама откачка, а работа фильтров без обсыпки и неподходящая схема водопонижения. Поэтому для пылеватых и заглинизированных песков я закладываю вакуумные иглофильтры с обязательной песчаной обсыпкой: их погружают гидравлически, с обсыпкой в каверну размыва. Перед проектом смотрю в отчете изысканий гранулометрический состав, число пластичности, показатель текучести и коэффициент фильтрации по опытным откачкам. Откачку в проекте предусматриваю непрерывную и без резких понижений, с уровнем воды не менее чем на 0,5 м ниже дна котлована.