Механические свойства грунтов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Кафедра нефти и газа
Реферат
По инженерной геологии
Студент 2-го курса, заочного отделения,
горно – нефтяного факультета РНГМз-10-3
Моисеев Анатолий Викторович
Преподаватель: Ефимов Артём Александрович
Пермь 2012
Оглавление
1. Грунтоведение 3
2. Геодинамические процессы 7
3.Инженерно – геологические изыскания 15
Грунтоведение
Грунтоведение – это наука изучающая состав, строение и свойства грунтов с позиции инженерно – строительной деятельности человека. Состав, строение и свойства грунтов определяются их генезисом и постгенетическими процессами.
Состав грунтов.
Грунты рассматриваются как любая горная порода или почва, а также отходы производственной и хозяйственной деятельности человека. Они представляют собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используются как основание, среда или материал инженерных сооружений. По генезису природные грунты можно подразделить на магматические, осадочные и метаморфические. Следует отметить, что 95% всех пород земли составляют магматические и метаморфические породы и лишь 5% - осадочные. Однако почти вся территория земли покрыта осадочными породами.
|
|
|
Физические свойства грунтов
Под физическими свойствами грунтов понимается свойства, которые проявляются без изменения структурных связей под влиянием физических полей: гравитационного, теплового, электрического и др. К числу физических свойств относятся плотность грунтов, проницаемость, тепло- физические, электрические и магнитные свойства грунтов.
К наиболее важным физическим свойствам грунтов относятся плотность, пористость и влажность. Эти свойства взаимозависимы и в целом выражают физические состояние грунтов, как в условиях естественного залегания, так и в основаниях сооружений. По основным физическим свойствам можно судить о прочности, деформируемости и устойчивости песчаных и глинистых пород, а также об их изменении под влиянием геологических процессов.
Плотность
Плотность минеральной части пород характеризуется массой (qc) в единице объёма минеральной части (Vc) породы.
Компоненты, входящие в состав грунта
Плотность минеральной части ρs=qc/Vc определяется минеральным составом горных пород и выражает среднюю плотность слагающих их минералов. Плотность главнейших породообразующих минералов песчаных и глинистый горных пород изменяется в сравнительно небольших пределах, вследствие чего и плотность минеральной части большинства этих горных пород изменяется мало.
|
|
|
Плотность породы - это масса в единице её объёма при естественных влажности и сложении: ρ=qc+qв/ Vo.
Она определяется плотностью минеральной части, пористостью и влажностью горных пород. Обычно, чем выше плотность минеральной части, тем выше и плотность горной породы, чем больше пористость, т.е. чем более рыхлую упаковку имеют частицы в единице объема горной породы, тем меньше её плотность. При увеличении влажности при данной пористости горная порода становится тяжелее, плотность её повышается. Плотность пород в среднем составляет 1,60*10³ - 1,90*10³ кг/м³.
Плотность скелета – это масса единицы объёма сухой горной породы qc естественного сложения: ρd= qc/ Vo. Она, как и плотность горной породы, выражает степень её уплотнённости. Чем она выше, тем выше плотность скелета, тем меньше она отличается от плотности горной породы в целом. Единицами измерения показателей плотности являются кг/м³ или г/см³.
|
|
|
Пористость
Структурные элементы, слагающие грунты, при неплотном прилегании друг к другу образуют промежутки различной величины, которые называются порами. Суммарный объем всех пор в единице объёма, независимо от их величины и степени заполнения, называется общей пористостью пород. Величина пористости (n) определяется по формуле
n = ρs – ρd/ρs *100%
Часто пористость характеризуется коэффициентом пористости или приведённой пористостью (ε): ε= ρs – ρd/ρs.
От общей пористости и размера пор зависят свойства грунтов. По величине пористости судят о степени уплотнения пород и их сжимаемости в различных условиях. С величиной пористости тесно связана водопроницаемость, термические, электрические и другие свойства пород.
Влажность
Влажность – количество воды, содержащееся в данный момент в породе, выраженное в процентах или долях единицы относительно веса абсолютно сухой породы. Важной дополнительной характеристикой физического состояния глинистых пород служит их консистенция. Консистенция употребляется в основном для глинистых пород, которые при той или иной влажности при внешнем воздействии приобретают определенную подвижность (деформируемость). Основная характеристика является определённая влажность, которая называется предел пластичности. Наиболее важными из них для определения физического состояния глинистых пород являются предел текучести (Wт) и предел раскатывания (Wр).
|
|
|
Предел текучести соответствует такой влажности, при превышении которой глинистая порода нарушенного сложения из пластичного состояния переходит в текучее и становится вязкой жидкостью.
Предел раскатывания соответствует влажности, при которой глинистая порода также нарушенного сложения из полутвёрдого состояния переходит в пластичное.
О состоянии глинистой породы в условиях естественного залегания следует определять показатель текучести Ji:
Ji=(W –Wр)/Jи.
Всё количество воды, содержащееся в порах горных пород и почв в естественном их залегании, называется естественной влажностью. Её принято определять высушиванием образцов до постоянного веса. Влажность, выраженную по отношению к весу сухой горной породы, называется абсолютной влажностью породы. Она выражается в процентах.
We=qв/qс, где qв – масса воды, qс – масса сухой породы.
Относительная влажность – это степень заполнения пор водой.
Sr=We·ρs/ε·ρw
Sr коэффициент водонасыщения
We – природная влажность грунта
ε – коэффициент пористости
ρs – плотность минеральной части грунта
ρw – плотность воды, принимаемая равной 10³
Механические свойства грунтов
Механические свойства – свойства грунтов, характеризующие их сопротивляемость деформируемости и разрушению под воздействием механических сил.
Механические свойства грунтов подразделяются на: деформационные и прочностные. Для расчётов деформации, устойчивости грунта и оценки прочности оснований необходимо знать механические характеристики используемых грунтов. Такими свойствами определяется поведение грунтовых массивов под воздействием нагрузок и при изменении их физического состояния. На механические свойства оказывают влияние характер структурных связей частиц, гранулометрический и минеральный состав и влажность грунтов. Основными механическими свойствами грунтов считают: сжимаемость; сопротивление сдвигу; водопроницаемость. Сжимаемость связана с изменениям (уменьшением) объёма пор в грунте под нагрузкой, то есть величина сжимаемости определяется наличием пустот в грунте и величиной нагрузки, прилагаемой к грунту.
Сжимаемость грунтов может быть выражена:
1) зависимостью коэффициента пористости (ε) от давления p в виде ε=f(p).
2) Величиной коэффициента уплотнения, или сжимаемости
3) Величиной коэффициента уплотнения, или сжимаемости.
Сдвигом называется процесс деформации и разрушения грунта вследствие скольжения одной его части относительно другой. Сопротивление сдвигу называется минимальная величина касательных напряжений, вызывающая сдвиг одной части грунта относительно другой. Сопротивление сдвигу характеризуется также величиной так называемого угла сдвига ψ=τ/δ. У водонасыщенных грунтов приобретает вид τ=с0+tgφ(δ-p). Сопротивление грунтов сдвигу τпр= δ tgφ+с
τпр – предельное сдвигающее напряжение
δ – нормальное давление
tgφ – коэффициент внутреннего трения
φ – угол внутреннего трения
с - сцепление
2.Геодинамические процессы
Геодинамические процессы – это процессы и явления, возникшие в результаты взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой.
Экзогенные процессы происходит за счёт воздействия атмосферы, гидросферы и гравитации на земную кору и охватывают её поверхностную часть. Экзогенные процессы климатического характера можно подразделить на криогенные и эоловые процессы, а также выветривание.
Выветривание.
Процессы выветривания протекают в течении всего геологического развития территории. При выветривании происходят процессы дробления (физического выветривания) пород, химического, физико – химического и биологического разложения минералов.
Физическое выветривание (дробление) пород происходит под влиянием суточных и сезонных колебаний температур, замерзания и оттаивания воды, заключённых в порах и трещинах пород.
Химическое и физико – химическое разложение минералов и образование новых минералов – продуктов выветривания – происходит при процессах окисления, гидратации, гидролиза, фильтрационного и осмотического выщелачивания пород. Окислению подтверждены органические вещества, закисные соединения железа и марганца, сульфиды и некоторые другие минералы. Для силикатов и алюмосиликатов наиболее характерны процессы гидролиза и гидратации, которые сопровождаются глубокой перестройкой кристаллохимической структуры минерала и образованием вторичных глинистых минералов с характерными кристаллическими решетками.
По скорости процесс выветривания можно разделить на стадии:
1) интенсивное выветривание – период за который формируется более 50% мощности коры выветривания
2) замедленное выветривание – период за который формируется более80%
3) затухающее выветривание – когда формируются максимальная мощность коры выветривания в данных природных условиях
Кору выветривания разделяют на три зоны: дисперсную, обломочную, и трещинную.
Дисперсная зона характеризуется полным преобразованием химико – минерального состава, структурно – текстурных особенностей и свойств исходных пород. Дисперсная среда определённой коры выветривания по своим свойствам является относительно однородной. Зоны легко подвергаются смыву и оползанию, что ведёт к уменьшению мощности зоны.
Обломочная зона выветривания формируется под влиянием процессов дезинтеграции пород с большей или меньшей степенью их химического разложения. Эта зона очень неоднородна: в зависимости от климатических условий в ней отмечается неравномерное распределение гидроокислов железа, гипса и карбонатов.
Трещинная зона выветривания определяется характером тектонических разломов и трещин, степенью раздробленности пород в них и глубиной проникновения агентов выветривания, зависящей от климатических условий, эрозийной расчлененности территории и разгрузки естественных напряжений.
Таким образом, характер изменения пород в процессе выветривания в первую очередь зависит как от пород, так и от климатических условии й в которых этот процесс протекает.
Элювий – продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте своего образования. В зависимости от характера материнских пород и типа выветривания может иметь различный механический состав, от глыб до глин. Более или менее постепенно переходит в подстилающие породы. Отличается отсутствием слоистости и сортировки, Иногда наблюдается реликтовая слоистость, отражающая текстуру исходной породы.
Речные эрозийные процессы. Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность суши, стекают по уклону местности с наиболее высоких отметок водораздела вниз (в долины) и аккумулируются в продольных понижениях, имеющих вытянутую форму и следующих уклону местности. Эти понижения носят названия рек.
Реки совершают громадную геологическую работу, которую с инженерно – геологической точки зрения можно разделить на три вида:
1. размыв, или собственно эрозия
2. перенос или транспортировка.
3. сложение и аккумуляция.
Каждая река имеет по протяжённости три характерных участка: верхнее, среднее и нижнее течения.
Верхний участок, начинающийся от истока, имеет максимальный уклон и прямолинейное очертание в плане. На этом участке скорость течения значительная, река имеет большую жизненную силу и здесь происходит размыв русла в глубину – донная эрозия.
Ниже по течению расположен второй участок, её среднее течение. На этом участке уклоны дна заметно уменьшаются, что ведёт к понижению скорости течения. Здесь река не прямолинейна, это ведёт к интенсивному развитию боковой эрозии, которая приводит к обрушению подмытых берегов и следовательно к расширению долины реки. Таким образом, на втором участке река разливается в ширину, а её воды захватывают, переносят и частично откладывают продукты размыва.
На третьем (нижнем) участке уклоны дна становятся минимальными, вследствие чего река прекращает размыв и на смену ему приходит отложение наносов двух верхних участков. Здесь река обладает очень малыми скоростями течения.
В процессе своего движения река перекатывает, переносит во взвешенном состоянии или в растворённом виде большое количество размытой горной породы, частично откладывая её по пути в виде аллювиальных отложений, частично вынося в море.
Переработка озёр, морей, водохранилищ. Воды морей озёр и водохранилищ совершают большую геологическую работу, заключающееся в процессах абразии и аккумуляции пород прибрежной зоны. Эти процессы формируют береговую линию.
К основным фактором воздействия моря или озера на берега можно отнести: энергию (ударную силу) волны; литологический состав и условия залегания горных пород, слегающих береговую полосу, и форму очертания берега. Волны перерабатывают профиль берега в его надводной и подводной части, вызывают разрушения (абразию) пород. Слегающих берег и в тоже время под их воздействием происходит накопление (аккумуляция) и перемещение наносов.
Карст – это процесс воздействия подземных и поверхностных внерусловых вод на растворимые и проницаемые горные породы (карбонаты, гипс, ангидрит, соли, соду и др.), в результате которого возникают поверхностные пустоты. Образование и разрушение подземных полостей сопровождается обвалами, провалами и землетрясениями.
Карстовые полости, расположенные близко к земной поверхности могут представлять реальную угрозу в связи с возможностью развития провальных явлений.
Как правило, карст развивается в результате растворения карбонатных и сульфатных пород, реже галоидных. Известно. Что карбонатные, сульфатные и галоидные породы имеют различную растворимость. Наименьшая её величина характерна для карбонатных пород.
Известняки, доломиты. Гипсы и другие породы этой группы в большинстве случаев водопроницаемы только по трещинам. Поэтому трещиноватость пород, и в частности тектоническая трещиноватость, способствует возникновению карста.
Подземные реки иногда с большими расходами и большими скоростями производят под землёй такую же работу, как и поверхностные водотоки. В результате их действия образуются огромные подземные пещеры, достигающие многих километров в длину и больших размеров в поперечном сечении.
Карст развивается в большей степени в условиях влажного климата и расчленённого рельефа, способствующего поступлению воды в горные породы.
Гравитационные процессы.
Обвал – это отделение от массива крупного блока горных пород на крутом обрывистом склоне, происходящее вследствие потери устойчивости под влиянием различных факторов (выветривание, эрозия и абразия в основании склона и др.), и последующее обрушение и скатывание глыбово – щебнистой массы.
Обвалы часто происходят на склонах, монолитность пород которых нарушена тектоническими и другими трещинами и процессом выветривания. Особенно легко возникают обвалы, когда на склоне массива пласты слоистых пород падают в том же направлении, что и поверхность склона, или когда высокие склоны горных ущелий и каньонов разбиты вертикальными и горизонтальными трещинами на отдельные блоки.
Опасность обвалов надо оценивать с двух точек зрения: как прямую угрозу населённым пунктам и отдельным сооружениям и как возможность запруживания рек и образование озёр.
Борьба с обвалами, особенно крупными – дело сложное. Предупреждение обвалов достигается искусственным обрушением отдельных глыб или отдельных участков обвалоопасных склонов с помощью взрывов или другим путём.
Осыпи – это накопления, образующиеся при скатывании со склонов обломков пород различных размеров – от дресвы до крупных глыб, при преобладании щебня. Щебёнка осыпей состоит преимущественно из скальных пород. Характерной особенностью осыпей является их подвижность. Когда при накоплении щебёнка угол откоса осыпи становиться больше угла естественного откоса, свойственно слагающему её материалу, осыпь смещается и движется до тех пор, пока в результате естественного выполаживания откоса наступает состояние равновесия.
По подвижности осыпи подразделяются на действующие, затухающие и неподвижные. Действующие осыпи обнажены, лишены всякой растительности. Небольшие осыпи можно избежать планировкой и расчисткой склона или закреплением его подпорными стенками. Устранение больших осыпей целесообразно лишь при крупном строительстве.
Аллювий – это нанос, происходящий вследствие выветривания и размывания более древних пород и перенесения их текучими водами в речные долины, овраги о котловины.
Коллювий – это продукты выветривания, смещённые вниз по склону под влиянием силы тяжести. Накапливаются на склонах и в виде шлейфов у их подножия в результате осыпания обломочного материала.
Оползни – это скользящее смещение горных пород на склонах под действием собственного веса. Оползень возникает, когда склон оказывается в неустойчивом состоянии.
В результате возникновения оползня формируются элементы оползня:
1) надоползневой уступ – примыкающая к оползню площадка, расположенная выше бровки склона, не подверженная оползанию;
2) стенка срыва – верхняя часть поверхности скольжения, образовавшаяся в результате смещения вниз оползневого тела;
3) оползневые террасы – ряд уступов, расположенных один ниже другого и ориентированных параллельно бровке склона;
4) поверхность скольжения – поверхность, по которой происходит смещения оползня;
5) тело оползня – вся масса сползающего по склону грунта, ограниченная по глубине поверхностью скольжения;
6) вал выпора – возвышение, образующееся в основании склона и состоящее из нарушенных и перемятых грунтов.
Место выхода поверхности скольжения на дневную поверхность в верхней части склона называют вершиной оползня, а в основании склона – подошвой оползня.
Оползни возникают вследствие несоответствия крутизны склона характеру и состоянию слагающих его пород и его основания и других условий (высота, крутизна и форма склонов, особенности их геологического строения, величина и распределение напряжений).
Меры борьбы с оползнями делятся на: профилактические и инженерные. К профилактическим относятся наблюдение за нормальной работой существующих сооружений для отвода поверхностных и подземных вод, уход за лесонасаждениями и запрещение их вырубки, надзор за проведением земляных работ.
К инженерным мероприятиям относятся:
1.Устройство сооружений для отвода поверхностных вод.
2. Строительство дренажей для отвода подземных вод.
3. Планировочные работы – срезка верхней части склона и пригрузка нижней части для устойчивости.
4. Устройство подпорных стенок и набережных.
5. Устройства свай – шпилек для закрепления отдельных участков оползневого склона.
Эти два вида мероприятий направлены на предотвращение увлажнения или водонасыщения оползневого массива. Мероприятия третьей группы направлены на сохранения баланса земляных масс путём уменьшения объёма верхней призмы оползневого тела, выполаживая верхнюю часть склона путём устройства берм. Срезанный грунт укладывают в виде пригрузки у основания оползня, увеличивая устойчивость откоса.
Криогенные процессы.
Солифлюкция представляет собой медленное течение почв, которые по своему гранулометрическому составу часто представлены пылеватыми разностями; при этом их естественная влажность должна достигать полной влагоёмкости, уклон местности должен быть 3-10 градусов
Медленная солифлюкция развивается при наличии мёрзлого субстрата, способствующего переувлажнению оттаявшего слоя пород. При линейном строительстве на таких солифлюкционных склонах необходимо закрепление поверхностного слоя грунта растительностью.
Быстрая солифлюкция характерна для достаточно крутых склонах не менее 10-15 градусах, сложенных пылеватыми супесями и суглинками.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 228; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!