Грунт под брусчатку
Что такое грунт и его особенности
Виды грунтов их свойства классификация
Физические технические параметры грунтов, характеристики и сравнения
Грунты под изготовление основания под укладку тротуарной брусчатки
Что может быть если положить брусчатку на грунт
Укладка тротуарной плитки и брусчатки на грунт
Последствия деформации мощение с применением основы из грунта
Строительные свойства грунтов
Понятие о грунтах и их массивах
Грунт - это любая горная порода (ГП), служащая основанием для сооружений или строительным материалом или сырьем для его производства.
Свойства грунта зависят от условий его залегания, а показатели свойств, определенные по испытаниям отдельных образцов, могут отличаться от свойств грунта в массиве. При проектировании и строительстве следует различать грунты как таковые и массивы грунтов.
Массив грунтов - геологическое тело, образующее геологическую структуру или часть ее и характеризующееся присущими только ему составом, строением и инженерно-геологическими закономерностями.
Состав и строение грунтов
Грунт рассматривается как система, включающая компоненты—твердые, жидкие, газообразные.
Минеральная и органическая части грунтов
Твердую компоненту грунта условно подразделяют на 5 групп, исходя из:
- преобладающих типов связи между атомами;
- физико-химических и физико-механических свойств.
Группы компонентов грунтов:
- минералы класса первичных силикатов;
- простые соли (галоиды,сульфаты, карбонаты);
- глинистые минералы;
- органическое вещество и органо-минеральн. комплексы.;
- лед.
Грунты обладают структурой и структурными связями между минералами.
Структурные связи образуются при формировании грунта и зависят от его генезиса.
Связи могут быть:
- жесткими химическими, (прочность -200 -1200 кДж/моль); они имеют такую же природу, как внутрикристаллические связи минералов. Пример - скальные грунты.
- водно-коллоидными, (прочность - 0,4-12 кДж/моль). Их действие определяется молекулярными, капиллярными силами и др. (глины,суглинки).
Пески, гравий, галечники, практически не обладают связностью.
Структура - размер, форма элементов и способ их расположения в пространстве.
Элемент структуры - кристаллический обломок или агрегат кристаллов.
Для магматических грунтов характерны структуры полнокристаллические, порфировые, скрытокристаллические. Их прочность зависит от прочности минералов.
Для метаморфических грунтов типичны полнокристаллич. St, часто_анизотропные, трещиноватые. Прочность метаморфических ГП определяется минералами и распределением слабых связей в пространстве.
Осадочные сцементированные грунты обладают размерами и формой обломков первичных пород. В их прочности важна характеристика цемента: его состав, строение, взаимодействие с элементами структуры.
Структуры обломочных несцементированных грунтов обусловлены генезисом грунта, широкому ассортименту размеров, форм и пространственному положению элементов.
Структуры глинистых грунтов бывают: ячеистые ---скелетные--- матричные.
Модель контактных взаимодействий (П.А. Ребиндер, Маргулис, Щукин 1964) количественно описывает прочность дисперсных грунтов:
Контакты в грунте - это места максимального сближения частиц. Частицы взаимодействуют лишь по контактам. Контакты могут разрушаться от напряжений. Таким образом, сопротивление грунта разрушению определяется прочностью контактных связей и количеством контактов в единице объема структуры.
Модель, разработанная под руководством П.А. Ребиндера применяется материаловедами. Она же позволяет приблизительно оценить свойства рыхлых однородных грунтов.
Подобные модели необходимы для разработки обоснованных прогнозов поведения массивов грунтов: консолидации, оползней на склонах, просадочных деформаций и др.
Виды воды в грунтах
Вода в грунтах может находиться в трех агрегатных состояниях:
I. Связанная вода: молекулы воды удерживаются электрическим полями минералов. Такая вода обладжает большой вязкостью, плотностью и перемещается под лействием потенциального электрического поля на поверхности миенралов.
II. Вода переходного состояния: капиллярная вода движется по связанным порам грунта под лействием сил поверхностного натяжения.
В песчаных грунтах, высота подъема капиллярной воды (0,3—0,6 м), в суглинках она меняется от 1-2 до 3-4 м. Поднятию воды препятствует сила тяжести.
III. Свободная вода (в жидком состоянии): существует в порах и трещинах грунта; перемещается под действием разницы гиростатических напоров.
Пар — вода в газообразном состоянии перемещается из-за разницы парциального давления пара и от нагретых мест к более холодным.
Основные свойства грунтов
Грунты испытывают многоплановое воздействие от зданий, например:
- изменение to,
- увлажнение и осушение,
- давление, вибрацию и др.
При инжнерено-геологических (ИГ) изысканиях анализируют широкий спектр свойств грунтов: физико-химические, физико-механические.
Физико-химические свойства проявляют грунты под действием воды и других растворов за счет изменений в своем составе и структуре: растворимость, набухаемость, липкость, размокаемость, усадочность, адсорбционные и ионнообменные свойства и др.
Примеры.
Водостойкость. Глинистые грунты, насыщенные водой размокают полностью, частично или сохраняют свою целостность в течение длительного времени (дни, месяцы). В зависимости от этого различают грунты неводостойкие, слабоводостойкие и относительно водостойкие. Примером неводостойких грунтов являются лессовидные суглинки. Морские глины в воде практически не распадаются.
Липкость грунтов обусловлена вязкостью и «клейкостью» пленочной воды, количество которой зависит от содержания глинистой фракции. Супеси и пески липкостью не обладают.
Физико-механические свойства грунты проявляют сопротивляясь давлению (нагрузкам), например сжимаемость, прочность.
Ряд грунтов обладает специфическими свойствами.
Но есть общие свойства, характерные для всех грунтов. К важнейшим из них относятся:
- минеральный и гранулометрический составы,
- влажность,
- плотность,
- пористость,
- консистенция,
- сжимаемость,
- просадочность,
- прочность.
Рассмотрим их подробнее.
Физические свойства
Все количество воды, которое содержится в грунте в его природном залегании, называют естественной влажностью.
Весовая влажность (We) - отношение массы воды к массе сухого грунта, в порах которого она находилась. Определяется путем высушивания грунта и измеряется в долях единицы или процентах.
Плотность (p) — это масса единицы объема грунта с естественной влажностью и природным (ненарушенным) сложением (т/м3).
Плотность грунта, зависит от его:
- минерального состава,
- влажности,
- пористости.
Плотность сухого грунта (pd ) - масса единицы объема сухого грунта природного(ненарушенного) сложения (т/м3).
Pd=p/(1 + We)
Плотность частиц грунта (ps) - масса единицы объема минеральной части грунта (т/м3).
Пористость (n) - суммарный объем всех пор в единице объема грунта.
n= Vn/V
где n— пористость породы в долях единицы; Уп — объем пор; V — объем грунта. Вычисляют пористость по формуле: П= 1 - (pd/ps) и выражают в процентах, либо в долях единицы.
Коэффициент пористости (е) — выражается только в долях единицы и отражает отношение объема пор (Уп) к общему объему всех минеральных зерен и органических веществ (Vs):
e= Vn/Vs . Вычисляют коэффициент пористости по формуле: e = (ps/pd ) - 1 и выражают в долях единицы.
Между пористостью и коэффициентом пористости существует связь: е=п/(1—n) или п=е/(1+е).
Пластичность — способность глинистого грунта деформироваться под действием внешнего давления без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после снятия деформирующего усилия.
Это свойство проявляет глинистый грунт нарушенной структуры — в характерном для него интервале влажности.
Альберт Аттерберг(Швеция,1916) предложил параметры, описывающие пластичные свойства грунтов.
Влажность (Wр) при которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное, называют нижним пределом пластичности или влажностью на пределе раскатывания. Повышение влажности усиливает пластичные свойства, и при влажности на пределе текучести Wt, грунт переходит из пластичного в текучее состояние.
Разницу (интервал) между этими влажностями называют числом пластичности I,=Wl - Wр.
Wl-WP- называют характерными влажностями грунта и выражают в процентах или долях единицы. Число пластичности характеризует интервл влажности, в пределах которого глинистый грунт нарушенной структуры находится в пластичном состоянии.
В пластичном грунте вся вода находится в связанном (пленочном) состоянии. Исчезновение пленок воды делает грунт твердым. Появление свободной воды нарушает структурные связи между минеральными частицами, и грунт оплывает (течет).
Wl и Wp зависят от гранулометрического и минерального составов глинистых грунтов и от содержания комплекса обменных катионов.
Число пластичности используют для классификации грунтов в соответствии с ГОСТом 25100—95 глинистые грунты подразделяют по числу пластичности на:
- супеси 0,01<1р< 0,07;
- суглинки 0,07<1р<0,17;
- глины 1р>0,17.
Показатель консистенции (IL), IL=(W—Wp)/(WL—Wp) численно описывает состояние пластичности грунта и позволяет выделить разновидности грунтов, например:
твердые, IL<0; пластичные, с 0< IL<1; текучие, с IL > 1.
Возможно и более дробное подразделение (ГОСТ 25100—95).
Деформируемость
Грунты, как и любые тела, сжимаются под давлением, т. е. изменяют свою форму. Деформации могут быть упругими, т. е. обратимыми, и остаточными - необратимыми.
Обратимые деформации имеют небольшую величину и происходят почти мгновенно. В нескальных грунтах преобладают необратимые деформации.
Важнейшими показателями деформационных, свойств являются модуль упругости Еу, или модуль общей деформации Еобщ., а также общая относительная линейная деформация: еобщ = £обр + £ост (ост., обр —остаточная и обратимая деформации соответственно).
Зависимость между напряжением и упругой деформацией однородного твержого линейно-деформируемого тела описывается законом Р.Гука:
а = Eо*e , где а—нормальное напряжение, не превышающее предел упругости, т.е. не приводящее к нарушению целостности грунта, е - относительная деформация. Физический смысл Ео -напряжение, возникающее в твердом упругом теле при относительной деформации равной единице.
Пример: Е0 для стали составляет 150000 МПа, стекла-70 000 МПа, бетона- 14000 МПа, сосны - 9000 МПа, грунтов - 10-100 Мпа.
При расчете фундаментов зданий и сооружений применяется значение модуля общей деформации, поскольку при осадке грунт обнаруживает как упругие, так пластические деформации. Модуль общей деформации зависит от структуры грунтов, их вещественного состава, влажности, плотности и др. Для глинистых грунтов способность сжиматься определяют при постоянной, но ступенчато возрастающей нагрузке без возможности бокового расширения — компрессионную сжимаемость. При этом реализуются как упругие, так и пластические деформация грунта. В компрессионных испытаниях определяют относительную вертикальную деформацию на каждой ступения сжатия. Динамика сжатия грунта отображается графиками в виде компрессионных кривых в координатах «e-а»: «коэффицент пористости-нормальное напряжение». График компрессии не следует закону Гука и не является прямой линией. Поэтому для применения закона Р.Гука расчет сжимаемости производят для малых интервалов нагрузок, при которых кривую линию можно аппроксимировать прямой и рассчитать коэффициент сжимаемости (а) как ai = Aei/AOt.
Далее рассчитывают компрессионный модуль обшей деформации грунта: Ei0 = (1+e0)/at, где e0, Aei, ai - коэффициент пористости грунта природного сложения, изменение коэффициента пористости и коэффициент сжимаемости для i-ой ступени уплотнения.
Компрессионный модуль общей деформации грунта не учитывает возможность бокового расширения грунта при уплотнении в массиве. Поэтому вводится поправочный коэффициент (Р) на основе коэффициента Пуассона, определяемого для разных типов грунтов. В итоге, экспериментально определяемый модуль общей деформации глинистых грунтов выглядит так: E‘o = p*(1+eo)/ai. Его значение для уплотнения при разных (i-ых) интервалах нагрузок будет изменяться. Модуль общей деформации измеряется в мегапаскалях.
Метод компрессионных испытаний применяют для оценки относительной деформации просадочности (eSl) и набухания (eSw) глинистых грунтов для нагрузки на i-ой ступени нагрузки. Для этого проводят параллельные испытания двух одинаковых образцов: при естественной влажности и в условиях полного водонасыщения: eisl = (tf-e^)/ (1+eo) и eisw = (ei-eiв)/ (1+eo).
e^e^ - коэффициенты пористости при i-ой нагрузки при естественной влажности и в условиях замачивания соответственно.
Определение модуля общей деформации выполняют и в полевых условиях при помощи штампов, уплотняющих грунт на значительно большей площади, что значительно повышает надежность экспериментов.
Модуль деформации определяют в инженерно-геологических скважинах с помощью эластичного или жесткого цилиндрического штампа методом прессиометрии. С этой целью в эластичную камеру, размещаемую на определенной глубине в буровой скважине нагнетается давление и замеряются возникающие при этом деформации изучаемого грунта.
Прочностные свойства
При вертикальном давлении кроме нормальных напряжений, возникают и касательные. Достигая определенной величины они преодолевают структурные связи между частицами и сдвигают их относительно друг друга. Грунт разрушается. Появление зон разрушения на склоне или откосе выемки может вызвать оползень, обрушение.
В песчано-глинистых грунтах в зоне сдвига возникает трение между частицами, которое описывают коэффициентом трения (^,при данном вертикальном напряжении: f=tg ф, где ф—угол внутреннего трения.
В связных грунтах сопротивление сдвигу оказывают структурные связи. Они преодолеваются силой, равной силе сцепления между частицами. Обозначают эту силу сцепления «С» и измеряют в МПа, ф - угол внутреннего трения и С - удельное сцепление являются показателями прочности грунта.
Эти параметры определяют на специальных (сдвиговых) приборах в лаборатории (ГОСТ 12248-96) или на соответствующих установках в полевых условиях.
От правильности их определения зависит:
- устойчивость сооружений,
- устойчивость массивов грунта (.. .в откосах) и
- оценки давления грунтов на ограждения и подземные сооружения.
Взаимосвязь показателей прочности описывается законом Кулона: Тпред. Он * tgf + С , где Тпред - предельное сопротивление сдвигу,МПа; Он- нормальное напряжение, МПа.
Условия экспериментального определения прочностных свойств грунтов должны строго соответствовать условиям работы грунта под сооружением.
В полевых условиях прочностные характеристики грунтов определяют сдвиговыми испытаниями в массивах (ГОСТ 21719-80), а также прессиометрическими испытаниями или вращательным срезом в скважинах.
При проведении испытаний грунтов вращательным срезом крыльчатку (четырех тонких прямоугольных продольных лопасти, крестообразно укрепленных на нижнем конце несущего стержня) вдавливают в грунт ниже забоя скважины, поворачивают и измеряют крутящий момент, затрачиваемый на срез грунта, и установившийся момент, отвечающий сопротивлению грунта срезу с нарушенной структурой.
Таким образом определяют сопротивление грунта срезу, удельного сцепления, показателя структурной прочности грунта при срезе и характера пространственной изменчивости сопротивления грунта срезу (ГОСТ 21719-80).
Классификационные и расчетные показатели свойств грунтов
По своему назначению все показатели свойств грунтов можно разделить на две группы — классификационные и расчетные.
Классификационные служат для отнесения грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности.
Пример. Характер и прочность структурных связей позволяет разделить грунты на классы и группы и отнести их к скальным и нескальным. По вещественному составу они разделяются на типы. Виды грунтов определяют с учетом размеров частиц и показателей свойств. Разновидности - по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов. Так, с помощью числа пластичности можно выделить разновидности глинистых грунтов: глины, суглинки, супеси и т. д.
Расчетными называют показатели свойств, необходимые инженеру- проектировщику для расчете деформаций основания и устойчивости сооружения. К ним относятся: плотность, влажность, пористость, показатель консистенции, сопротивление сдвигу (С и ф), модуль общей деформации, коэффициент поперечного расширения, коэффициент фильтрации, относительная просадочность, набухание и др.
Количественные значения показателей свойств подразделяют еще и по степени представительности - полноты отражения свойств грунтового массива, например пласта или его части. С этой целью выделяют три значения показателей: частное (индивидуальное), обобщенное (нормативное или среднее).
Частное значение получают как результат испытания одного образца. Оно характеризует свойства только в одной точке, а не отражает в целом свойства грунта из-за неоднородности его состава и структуры.
Некоторое множество частных значений из различных его точек обобщают и выводят статистически среднее значение показателя, которое обычно называют нормативным.
В большинстве случаев инженер-строитель вводит поправки на нормативные значения свойств, зависящие от ответственности ПГС и сложности ИГ-условий.
С учетом этих поправок получают расчетные значения показателей, которые используют в расчетах фундаментов сооружения.
При расчете оснований зданий и сооружений используют инженерногеологические, карты и разрезы данного массива грунтов, на которых выделяют основные структурные единицы массива — инженерно-геологические элементы (ИГЭ), под которыми понимают - объем однородного геол. тела (линза, пласт, зона разлома и т. д.), в пределах которого показатели состава, строения и свойств носят случайный характер.
В основе выделения ИГ-элементов лежит литологический метод. Дополнительно, методами математической статистики доказывают статистическую однородность выделенных ИГ-элементов.
ИГЭ может и не совпадать с литологическими границами. В одном литологически однородном пласте, например в суглинках большой мощности, может быть несколько ИГЭ.