32. Физико-механические свойства грунтов.

1. Физические свойства грунтов – это свойства, которые проявляются под влиянием физических полей: гравитационного, теплового, электрического и др.

К числу физических свойств относятся плотность грунтов (рассмотренная ранее), теплофизические, электрические и магнитные свойства грунтов.

Теплофизические свойства характеризуют тепловой режим толщи грунтов. Это имеет большое значение как для познания таких природных процессов, как выветривание и почвообразование, так и для оценки устойчивости инженерных сооружений, особенно в области развития ММП.

Обычно определяются:

удельная (или объемная) теплоемкость;

теплопроводность;

температуропроводность;

термическое расширение грунтов.

Значения этих свойств зависят от пористости, влажности и состава твердого компонента.

Электрические свойства грунтов – способность грунтов проводить и поглощать электрический ток.

Наиболее важными электрическими свойствами являются электропроводность и диэлектрическая проницаемость грунтов. Они в первую очередь зависят от их минерального состава, влажности, состава и концентрации порового раствора. Среди минералов и органического вещества встречаются проводники, полупроводники и диэлектрики. Электропроводность и диэлектрическая проницаемость возрастают с увеличением влажности.

2. Физико-химические свойства грунтов – это свойства, которые проявляются в результате физико-химического взаимодействия, происходящего между компонентами, слагающими грунты.

Коррозионные свойства грунтов. Коррозия - процесс разрушения материалов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Причины коррозии - грунтовая влага, действие микроорганизмов (биокоррозия), количество растворимых солей, содержание газов.

Скорость сквозного разрушения металла различна: 25 лет и более, 1-3 года.

Коррозионная активность грунтов зависит от многих факторов - минеральный состав (количество растворимых солей), влажность, содержание газов, структура, электропроводность, бактериальный состав, содержания С1 и SО₄ в поровом растворе, кислорода в свободном воздухе, заполняющем поры грунта.

Электрокинетические свойства: электроосмос и электрофорез.

Диффузные и осмотические свойства грунтов. Диффузия - процесс самопроизвольного выравнивания концентрации в системе. Осмос представляет диффузию вещества (обычно растворителя) через полупроницаемую перегородку, разделяющую два раствора различной концентрации.

Осмос в глинах может вызвать деформации набухания или усадки. Если поместить засоленный глинистый грунт в пресную воду, то произойдет осмотическое всасывание воды и набухание грунта.

Адсорбционные свойства грунтов - поглотительная способность грунтов:

1) механическая поглотительная; 2) физическая; 3) химическая; 4) биологическая и 5) физико-химическая обменная.

На использовании механической и физической поглотительной способности грунтов основан метод понижения их водопроницаемости, известный под названием кольматация грунтов. Кольматация - заполнение пустот пористого тела более мелкими твердыми частицами, поступающими с жидкостью, в результате чего уменьшается фильтрационная способность данного пористого тела.

Теплота смачивания грунтов. Адсорбционная способность грунта по отношению к воде выражается в образовании связанной воды. При образовании последней (главным образом прочносвязанной воды) наблюдается выделение теплоты, которая получила название теплоты смачивания.

Теплота смачивания является свойством дисперсных грунтов, зависит от их минерального и гранулометрического состава, состава обменных катионов и от тех условий, в которых находится грунт.

Липкость грунта зависит от влажности. Наибольшего значения она достигает у глинистых грунтов. Липкость глин растет с увеличением внешнего давления и уменьшением влажности.

Липкость грунта является одним из факторов, определяющих условия работы ковшов, дорожных и почвообрабатывающих машин. Прилипание грунта к поверхности землеройных и транспортных машин и механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении вскрышных работ на карьерах, при разработке котлованов и т. п. Это свойство также важно при оценке качества грунтов в дорожном строительстве и при оценке проходимости территории.

Пластичность грунта - его способность под воздействием внешних условий изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после того, как действие внешней силы устранено.

Пластичность свойственна высокодисперсным (связным) грунтам. При инженерно-геологических исследованиях она характеризуется двумя влажностными показателями:

1) верхним пределом пластичности или нижним пределом текучести (W_f) - влажность (выраженная в %), при превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее;

2) нижним пределом пластичности (W_p) - граничная влажность между полутвердым и пластичным состояниями грунта; он характеризует минимальную влажность, при которой частицы способны перемещаться относительно друг друга без нарушения сплошности грунта.

Набухание грунта - увеличение объема грунта в процессе смачивания. Способность к набуханию связана с гидрофильным характером глинистых минералов и большой удельной поверхностью последних. Набухание обусловлено в основном образованием в грунте осмотической воды. Оболочки, формирующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц, уменьшают структурные связи между ними и этим вызывают увеличение объема грунта. Таким образом, в процессе набухания не только увеличивается объем грунта, но и уменьшается его связность благодаря значительному ослаблению ионно-электростатических структурных связей.

Строителям приходится иметь дело с явлением набухания грунта при вскрытии их выемками, котлованами и т. п., а также при сооружении плотин и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия местности и увеличивается влажность пород за счет вновь поступающей воды.

Тиксотропные свойства грунта – способность грунтов разжижаться под влиянием механического воздействия (встряхивания, размешивания, вибрации, воздействия ультразвуком и т. д.) и затем, когда это воздействие устранено, переходить в прежнее состояние (характерно для глинистых, лёссовых и супесчаных грунтов).

Например, при вибропогружении свай происходит резкое разупрочнение грунтов вблизи поверхности сваи, а затем после окончания погружения — тиксотропное упрочнение грунта. Оно ведет к частичному или практически полному восстановлению их первоначальной прочности и обусловливает поэтому постепенное увеличение несущей способности свай.

Усадка грунта - уменьшение его объема в результате удаления воды при высыхании или под влиянием физико-химических процессов (осмос и др.).

В результате усадки грунт становится плотнее и после высыхания — даже твердым. Уплотнение глинистого грунта при усадке увеличивает его сопротивление деформациям, но наличие трещин, обычно сопровождающих усадку, повышает водопроницаемость и уменьшает устойчивость поверхностного слоя грунта в откосах.

В максимальной степени усадка проявляется в глинах, меньше в мергелях и глинистых известняках.

Просадка грунта – уменьшение их объема, но в отличие от усадки это свойство наблюдается главным образом у лёссовых пород и связано не с уменьшением их влажности, а, наоборот, с замачиванием лёссовых пород водой.

Просадка лёссовых пород возникает при трех условиях:

1) лёссовые породы до момента просадки должны обладать высокой пористостью и малой влажностью;

2) просадочные лёссовые породы должны иметь малую гидрофильность;

3) у просадочных лёссовых пород должны быть на контактах между частицами слабые структурные связи, которые могут носить ионно-электростатический характер или являться химическими ионными связями.

Степень просадочности лёссовых грунтов оценивается по величине относительной просадочности, определяемой при компрессионных испытаниях по формуле:

где h₀ — высота образца до испытания, h_p — высота образца грунта при давлении Р, равном давлению от действия внешней нагрузки, h_р^ — высота образца того же грунта при давлении Р после замачивания водой.

Водопрочность грунта – способность сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Это взаимодействие может быть статическим и динамическим. В первом случае при взаимодействии грунта и воды происходят явления набухания и размокания, во втором, когда на грунт оказывается гидродинамическое воздействие, размыв пород. Соответственно этому водопрочность грунтов может быть охарактеризована по их размокаемости и размываемости.

Размокаемость – способность грунтов при взаимодействии со спокойной водой терять связность и превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Для характеристики размокаемости грунтов обычно используют два показателя: 1) время размокания и 2) характер размокания.

Размываемость грунтов – их способность отдавать агрегаты и элементарные частицы движущейся воде, воздействующей на поверхность грунтовой толщи. Это свойство грунтов наряду с динамикой водного воздействия определяет размыв грунтового массива.

Растворимость грунта – способность растворяться под действием природных вод или иных растворов. В процессе растворения молекулы воды (или иного растворителя) разрушают кристаллическую решетку минералов, ионы из решетки переходят в воду и образуют водные растворы. В результате растворения и последующего выноса части веществ происходит образование в массиве пустот различного размера.

Все типы грунтов в той или иной степени растворимы. Абсолютно нерастворимых грунтов не существует. Однако с практической точки зрения наибольший интерес представляет растворимость грунтов, имеющих ионные структурные связи (соли, сульфаты, карбонаты).

Размягчаемость. Скальные грунты при взаимодействии с водой способны к размягчаемости, т. е. к снижению прочности. Однако при этом никогда не происходит разрушения структурных связей.

Морозостойкость – способность грунта сопротивляться воздействию отрицательных температур. Она обычно оценивается числом циклов замораживания и оттаивания грунтов, ведущим к потере их прочности, а также коэффициентом морозостойкости (К_м) - это отношение предела прочности при сжатии образцов после 25 циклов замораживания и оттаивания к пределу прочности при сжатии воздушно-сухих образцов до их замораживания и оттаивания.

Наиболее морозостойкими являются те породы, в которые вода вообще не попадает из-за большой их плотности или попадает в ограниченном количестве.

3. Физико-механические свойства грунтов – проявляются, когда на грунт воздействует внешнее давление; они подразделяются на деформационные, прочностные и реологические свойства.

Деформационные свойства грунта. Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические и, следовательно, не приводящими к его разрушению. Эти свойства чаще всего выражают следующими показателями: модулем деформации и коэффициентом Пуассона (характеризует способность породы к изменению объема в процессе деформации под действием напряжений), коэффициентами сжимаемости и консолидации, моделями сдвига и объемного сжатия.

Реологические свойства. Характер сопротивления грунта внешним силам зависит от скорости приложения этих сил. При быстром возрастании нагрузки сопротивление грунта будет наибольшим и в нем будут преобладать упругие деформации, при медленном возрастании внешних сил — сопротивление грунта будет меньшим, и он будет проявлять свойства ползучести и текучести.

Степень проявления упругости или ползучести в грунте зависит от отношения времени действия силы к так называемому времени релаксации - это такой промежуток времени, в течение которого напряжение, после прекращения действия силы, уменьшается на определенную величину, например в е раз (е = 2,71).

Пример: Время релаксации различно у разных тел. Для скальных грунтов время релаксации изменяется сотнями и тысячами лет, для стекла — около ста лет, а для воды — 10^-11 с.

В зависимости от отношения времени действия силы ко времени релаксации тело будет вести себя как твердое или как жидкое. Период релаксации является основной константой, объединяющей свойства твердых и жидких тел.

Сопротивление грунтов одноосному сжатию – это прочностное свойство грунтов. Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические. Для их определения образцы подвергаются сжатию до разрушения. Прочность грунтов часто определяют путем их раздавливания в условиях свободного бокового расширения. Разрушающая сила при этом действует только в одном направлении, поэтому такое испытание называют одноосным сжатием.

Сопротивление одноосному сжатию производится по формуле:

где Р_разд - усилие раздавливания, при определенной высоте образца Н; F - площадь поперечного сечения образца, м².

Характер разрушения образцов грунта при одноосном сжатии зависит от вида породы и может быть хрупким, полухрупким и пластичным. Хрупкое разрушение проявляется в породах с прочными кристаллизационными связями. Пластичное деформирование наиболее часто проявляется в слабопрочных породах и в естественных условиях приводит к образованию загиба пластов, выдавливанию пород в подземных выработках и т. д.

Сопротивление грунта разрыву. Разрыв грунта происходит под действием растягивающих нормальных давлений, возникающих в массиве грунта в результате действия гравитационных сил (на бровке откоса), горизонтального давления воды (в основании верхней грани плотины), неравномерного термического расширения и сжатия, а также усадки различных участков породы и т. д. Под действием растягивающего напряжения происходит разрыв грунта, что выражается в появлении трещин отрыва. Поверхность трещин отрыва имеет характерный рисунок, по которому их отличают от трещин сдвига:

Прочность на разрыв определяют в основном для скальных грунтов в условиях одноосного растяжения. Определение прочности на разрыв как при одноосном растяжении, так и при раскалывании образца производится по формуле:

где Р — разрушающее усилие; F — площадь раскола, м².

Сопротивление грунта сдвигу. Под действием внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других. Разрушение массива грунта происходит в виде перемещения одной части массива относительно другой (оползание откоса, выпор грунта из-под сооружения и т. п.).

33. ИГ хар-ка массивов ГП.

Величины, хар-е св-ва отдельных образцов грунта,не всегда тождественны по своему знач. величинам для массива, откуда были взяты эти образцы. Св-ва массивов грунтов (МГ) могут быть. иными, чем св-ва образц., взятых из этих массивов. Массив ГП – геол.тело, обр-е тектон. стр-ру или ее часть, сформ-ся в опред. геолого-структур. и палеогеограф. обстановке и хар-ся присущими только ему геолог., ГГ и ИГ закономерностями. Важный теорет. и практ. аспект ИГ изучения массивов ГП – это учет закономерностей пространств. изменения сост., строения и св-в пород. Факторы, опред-е поведение МГ. ИГ особенности массива зависят от многих факторов. Важнейшими из них: вещ-й сост., стр-ра и текст. ГП, слагающих массивы; стр-ра самого массива (опр-ся слоист., трещин., неоднородн., анизотропностью, обводненностью); напряженное сост-е, отражающее особенности строения гравит. и тектон. полей з.к. и ее морфоструктуру. Вещ-й сост. ГП. Массивы, сложенны различн. ГП, обладают различн. ИГ особен-ми. (Особенно резко отличаются по своему поведению при взаимодействии с инж. сооружениями массивы, сложенные скальными и дисперсными грунтами). Трещ. массива нарушает его сплошностью и поэтому имеет важн. знач. при ИГ оценке массива. По генезису трещ. могут быть перв. и втор. Среди первых распр-ны трещины отдельности и напластования. Тр. отд-ти чаще всего возникают при остывании магм. пород (контракционная трещиноватость) и метаморфизме (метамарфогенная трещиноватость). Тр. напл-я связаны с процессами седим. и диаг. осадков (диаген. трещ.). Возникают они на границе слоев различного литол. сост. или внутри слоя в рез-те того, что породы в слоях по-разному реагируют на нагрев., охлажд., окисл., гидратацию и давление. Перв. трещ. в массивах обычно имеет подчиненное знач.. Более знач. в ИГ отношении втор. трещ. возн-т после того, как порода уже сформ-сь. К ним относятся трещины тектон. происх-я и экз. трещ.. Тектон. трещ. связаны со сжат. и растяж. ЗК при тектон. процессах. Наибольшее развитие тект. трещ. набл-ся у скальных, наименьшее - у дисперсных грунтов. Для тект. трещ. хар-ны большая глуб. и выдержанность по простир.; отдельные трещ., особенно связанные с крупн. разломами ЗК , могут распр-ся в глубину более чем на км. В магм. породах тектон. трещ. секут крупные крист., в конглом. - гальку. Экзог. трещины обр-ся в процессе выветр. пород, при оползневых деформациях, обвалах, провалах сводов карст. пещер, при разгрузке пород в бортовой части какого-либо вреза. Хар-й особенностью этого типа трещин яв-ся невыдержанность по простир., извилистые очертания и быстрое затухание с глуб.. При решении ИГ задач важно давать не только качеств. хар-ку трещ-ти, но и ее кол-ю оценку. Для этих целей находят показатель трещ. пустотности породы, под которым понимается отношение площади трещин (в любой плоскости) к площади участка, на котором проводился замер трещин. По величине показателя трещинаватости устан-ся степень трещ-ти пород Классификационная схема трещиноватости пород (по Л. И. Нейштадт): Сл. тр-ть-<2% (развиты волосные и тонкие тр-ны дс 1 мм, с единичными тр-ми шириной до 2 мм; ср.и крупные трещины отсут-т); Ср. тр-ть 2—5%( наряду с тонкими тр-ми шириной до 1 мм имеют место тр-ны шириной 2—5 мм и отд-е до 5—20 мм); сильн. тр-ть 5—10% (наряду с мелкими тр-ми присут-т также крупн. тр-ны шириной 20—100 мм); оч. сильн. тр-ть 10-20 % (наряду с мелкими тр-ми присут-т крупные и оч. крупные тр-ны); искл. сильн. тр-ть >20% (шириной 20—100 мм и более). При изучении ИГ св-в трещ-х пород необходимо обращать внимание на степень и хар-р заполнения трещин, а также на сост. заполнителя. Для кол-й оценки тр-й пустотности пород широко прим-тся геофиз. методы (ультразвуковой и сейсмический). Трещ-е зоны открывают доступ воде и воздуху в глубь массива; благодаря им под влиянием процесса выв-я могут изменяться на значит. глуб. породы, обычно устойчивые к воздействию этого процесса. Тр-ть влияет также на обводненность и фильтрационных св-х массива. Напряженное сост-е массивов. Напряжения в массивах ГП распр-ся в завис-ти от: хар-ра тектон. стр-р; направления и величины тектон. сил; трещ-ти ГП, чередования в разрезе прочных, слабых, хрупких и пластичных толщ; особенностей фильтрационного и t-х полей; расчлененности рельефа.Наряду с верт. напряжениями возникают и гориз., во много раз превышающие вес вышележащих пород. Вблизи тектон.нарушений возникают области повышенных напряжений. Изменчивость напряженного сост-я массивов ГП может быть связана с наличием в разрезе прослоев жестких и прочных пород, выполняющих роль несущих конструкций, где будут концентр. напряжения. Действующие в массиве напряжения оказывают в основном отриц. влияние на его прочностные св-тва. Они приводят к разрушению сплошности пород, к обрушению их в зонах аномально-высоких напряжений, приуроченных к тектон. нарушениям, где величина напряжений в значит. степени превышает прочность пород. Прочность массивов опр-ся многими факторами, но опред. фактором яв-ся сами ГП, слагающие массив. Массив базальтов и массив песчаных пород трудно сравнимы. Поэтому особое внимание все же уделяется ИГ хар-ке ГП и почв.