Плотность и удельный вес грунтов

ФГОУ СПО «Сибирский Государственный Межрегиональный колледж строительства и предпринимательства»

 

Реферат по геологии

На тему

Физические свойства грунтов

Выполнил: Студент гр. ИСОГД 11-1

 

Проверил: Демин. А. Н

 

Иркутск 2012

Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов.

Плотность и удельный вес грунтов

Влажность грунтов

Некоторые свойства глинистых грунтов и их характеристики.

Исследование грунтов в условиях их естественного залегания

Введение.

Свой­ства горных пород являются весьма емким понятием, охватываю­щим их физические, водно-физические и механические свойства. Определение этих свойств, назначение их расчетных значений при проектировании оснований и фундаментов различных соору­жений, прогноз их изменений во времени и являются основной конечной целью грунтоведения. При определении параметров свойств грунтов возникают конкретные задачи, решаемые раз­личными способами и методами грунтоведческих исследований, для которых разработаны конкретные методики, приборы и обо­рудование

Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов.

Количе­ственные соотношения и размер слагающих грунты элементов имеют огромное значение при оценке инженерно-геологических свойств грунтов.

Большинство горных пород состоит из отдельных кристаллов, их обломков или агрегатов обломков и целых кристаллов. Имеет­ся, правда, небольшое число горных пород с аморфным строени­ем (например, бурый железняк). Все эти элементы горных пород или связаны друг с другом прочными кристаллизационными свя­зями (магматические, метаморфические, часть осадочных пород), или же связи в породах отсутствуют (обломочные осадочные, вулканогенные рыхлые породы). Размеры элементов, слагающих горные породы, варьируют в значительных пределах — от тысяч­ных долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Естественно, такой диапазон размеров не может не сказаться на формировании свойств грунтов. Например, зернистость маг­матических горных пород во многом определяет их прочность и устойчивость к выветриванию (мелкокристаллические граниты более прочны и менее выветриваются, чем среднезернистые и тем более крупнокристаллические того же минералогического со­става). Это установлено и для метаморфических и многих оса­дочных пород.

Установлено, например, что мелкозернистые граниты из района г. Благовещенска имеют предел прочности на сжатие 70—80 МПа, а крупно- и среднезернистые их разности — лишь 34—36 МПа, при­чем после 25 циклов «замораживания — оттаивания» прочность соответственно снижается до 53—55 МПа у мелкозернистых и до 23—27 МПа у крупно- и среднезернистых гранитов.

Это является основанием для утверждения о целесообразно­сти подразделения горных пород по крупности слагающих эле­ментов и необходимости изучения их размеров. Что, кстати, по­зволяет для магматических и метаморфических пород оценивать не только структурные особенности, но и в определенной мере судить об их генезисе. Однако в магматических и метаморфиче­ских породах оценка соотношения размеров слагающих элемен тов возможна лишь качественно в специально подготовленных образцах — шлифах.

Количественные соотношения и размер слагающих элементов в обломочных осадочных породах являются одними из основных классификационных показателей.

Все дисперсные горные породы состоят из частиц одной или, чаще всего, нескольких фракций. Под фракцией понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми достаточно постоянными общими физическими свойствами.

Под гранулометрическим составом понимается количествен­ное соотношение различных фракций в дисперсных породах, т. е. гранулометрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве содержатся в той или иной породе. Его определение ведется специальными методами: ситовым, отмачи-ванием и др. Содержание фракции при этом выражается в про­центах по отношению к массе высушенного образца.

Гранулометрический состав изображается в виде графика, ко­торый, кроме того, позволяет составить мнение об однородности изучаемой горной породы по крупности частиц. При грануломет­рическом анализе в составе пород учитывается содержание в них первичных частиц, т. е. содержание отдельных обломков кристал­лов и горных пород.

Но в тонкодисперсных породах, наряду с первичными части­цами, имеются так называемые вторичные, образующиеся при соединении («слипании») нескольких первичных частиц и фор­мирующие микроагрегаты частиц.

Количество и размер первичных частиц в грунте определяют его первичную, или предельную, дисперсность. Вторичная, или при­ родная, дисперсность, характеризуемая микроагрегатным составом, учитывает при анализе как первичные, так и вторичные частицы.

Для инженерно-геологической характеристики горных пород необходимо знать как гранулометрический, так и микроагрегат­ный состав. В связи с тем что гранулометрический состав харак­теризует предельную дисперсность, он является весьма удобным классификационным показателем. Микроагрегатный состав, отра­жающий степень агрегированное™ породы в данных условиях, используется для характеристики структурных связей в породе.

Микроагрегатный состав породы не является постоянным во времени, так как в породе непрерывно происходят образование и разрушение вторичных частиц, в связи с чем в отдельных фрак­циях изменяется содержание частиц. Гранулометрический состав породы на данном отрезке времени является величиной постоян­ной и изменяется только под влиянием длительных процессов, протекающих в породе; к числу таких процессов относится, на­пример, выветривание.

Определение того или иного петрографического вида или типа породы, т. е. классификация породы, и является конечным этапом изучения гранулометрического состава дисперсного грунта.

Различными специалистами разработаны гранулометрические классификации, которые можно подразделить на:

• общие, стремящиеся охватить большую часть петрографиче­
ских типов дисперсных грунтов;

• частные, разработанные для какого-либо одного типа пород.

Применение той или иной классификации определяется целя­ми исследований, а также вопросами инженерно-геологических изысканий, проектирования и строительства сооружений.

 

Плотность и удельный вес грунтов

Плотность грунта — это отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, к занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава, влаж­ности и характера сложения (пористости)

Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухо­го грунта, исключая массу воды в его порах, к объему твердой части этого грунта:

Плотность частиц грунта изменяется для всех горных пород в небольших пределах от 2,61 до 2,75 г/см³ и для каждой генетиче­ской разности породы определяется только ее минералогическим составом.

Удельный вес грунта характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим фунтом объ­ему, включая поры.

Плотность скелета породы, или плотность сухого грунта, представляет собой отношение массы минеральных частиц поро­ды (твердой части грунта) при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к занимаемому этой породой объему:

Плотность скелета породы — величина более постоянная по сравнению с плотностью породы и обычно вычисляется по дан­ным определений плотности и влажности по формуле где р — плотность породы, г/см³; р_а — плотность скелета породы, г/см³; IV — влажность породы, %.

Удельный вес частиц грунта характеризует отношение веса су­хого грунта к объему его твердой части .

Удельный вес сухого грунта характеризует отношение веса су­хого грунта ко всему занимаемому этим фунтом объему.

Физические значения плотности применяют для характери­стики физических свойств горной породы фунта основания или строительного материала, а также в динамических расчетах осно­ваний.

Физические значения удельного веса используют непосредст­венно в остальных расчетах оснований, в частности при опреде­лении природного давления, при расчете осадки.

 

Влажность грунтов

Связанная вода. Еще в начале нашего века специалистами, изучавшими поведение почв и грунтов, установлено, что минера­льные частицы в них окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к ми­неральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан.

Современные исследования подтвердили изложенные предпо­ложения, и было установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Связанная вода составляет более 40 % всей воды, содержащейся в глинистых породах. Присутствие различных категорий связан­ной воды в грунтах любого состава резко изменяет их состояние и свойства.

По своим характеристикам связанная вода существенно отли­чается от свободной воды (в частности, от той, которую мы знаем в обыденной жизни). Средняя плотность ее лежит в диапазоне 1,20—1,40 г/см³. Здесь небезынтересно отметить, что существую­щими способами, например механическими, удается лишь уплот­нить воду на доли процента, и обычно во всех расчетах в диапазо­не нагрузок, возникающих в строительной практике, вода принимается как практически несжимаемая жидкость. Связанная вода перемещается в грунтах в сторону падения электрического потенциала, увеличения дисперсности грунта, большего содержа­ния глинистых минералов, в сторону падения температур грунта. Связанная вода замерзает при температуре, близкой к — 4 °С.

Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода . Максимальное количество прочносвя-занной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100 %.

Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей, каждая из которых существенно влияет на свойства пород; на­пример, так называемая вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные пленки воды, вследствие этого величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех ви­дов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к мак­симальной гигроскопичности, указанная потеря прочности гли­нистыми грунтами весьма значительна.

Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности ми­неральных частиц, а также составом обменных катионов в них.

В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвя­занной воды лежит в пределах 0,2—30 % (в монтмориллонитовых глинах содержание этой воды доходит до 20%, а в каолинито-вых — всего около 1 %).

Рыхлосвязанная вода по своим свойствам существенно отлича­ется от прочносвязанной, например, имеет плотность, близкую к плотности свободной воды. Остановимся на этой разновидности воды несколько подробнее. Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в значительно меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весьма близка к поведению прочносвязанной влаги, но она подвижнее и диполи молекул воды в водной оболочке со­риентированы относительно частицы грунта в значительной мере хуже. Суммарное содержание всех видов прочносвязанной и пле­ночной воды составляет влажность, которая называется максима­льной молекулярной влагоемкостыо грунтов \У_ММЛ. Величина максимальной молекулярной влагоемкости показывает, какое ко­личество связанной воды содержится в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения грунтовых частиц. Максимальная молекулярная влагоемкость у песка в среднем около 1—2 %, а в монтмориллонитовых глинах может достигать почти 135 %.

Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Этот вид воды весьма сла­бо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной воды и по структуре и свойствам практически от нее не отличается.

Наличие в грунтах осмотической влаги обусловливает, особен­но в глинистых грунтах, их пластичность во вполне определен­ных для различных грунтов диапазонах влажности.

Свободная вода. Рассмотрим сначала капиллярную влагу.

Капиллярную воду подразделяют на три вида: 1) вода углов пор; 2) подвешенная вода; 3) собственно капиллярная вода.

Первый вид воды (вода углов пор, или стыковая вода) иногда называют капиллярно-разобщенной водой или капиллярно

не подвижным состоянием свободной грунтовой воды. Этими назва­ниями вполне четко характеризуется данный вид воды. Вода уг­лов пор обычно образуется в местах соприкосновения — на контактах частиц — в виде отдельных капель, занимающих су­женные части пор и ограниченных менисками воды. Содержание этого вида воды, например в песках, составляет 3—5 %, в супе­сях — 4—7 %. С ростом дисперсности количество воды до опре­деленного предела растет.

При увеличении влажности грунта капиллярные поры могут быть полностью заполнены водой, в этом случае капиллярную воду подразделяют на собственно капиллярную и подвешенную воду (в зависимости от того, соединяется она с уровнем грунто­вых вод или нет.)

Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми во­дами в массиве грунта капиллярную кайму. Мощность капилляр­ной каймы определяется высотой капиллярного поднятия Н_к . Капиллярное поднятие зависит от ряда факторов, например, сте­пени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогиче­ского состава, формы и характера поверхности грунтовых частиц, плотности и пористости грунта (например, в песках она равна в среднем 50 см, а в супесях и других глинистых грунтах доходит до 2—3 м).

При уменьшении капиллярной воды в связи с высыханием грунта наблюдается ее восстановление благодаря подъему по ка­пиллярным порам новых порций воды из водоносных горизон­тов, подобно тому как это происходит в капиллярной трубке, опущенной одним концом в воду.

Влажность грунта, у которого все капиллярные поры заполне­ны водой, называют капиллярной влагоемкостью, которая зависит от тех же факторов, что и высота капиллярного поднятия, а так­же такой специфической характеристики, как капиллярная по­ристость.

При промачивании грунтов сверху, например, при атмосфер­ных осадках, при возведении грунтовых плотин гидромеханиза­цией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, а также в других случаях, возникающих в строительной практике, в грунтах образуется подвешенная вода. Наиболее часто формирование ее происходит в песках, как в однородных, так и слоистых их тол­щах. Образование подвешенной воды зависит от гранулометриче­ского состава песка и его исходной влажности.

Наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удерживаться грунтом, называют наименьшей влагоемкостью или водоудерживающей способностью грунта. Вся влага, которая посту пает в грунт сверх величины наименьшей влагоемкости, стекает по порам в нижележащие слои массива или слоистой толщи грунта.

Капиллярная вода, подобно гравитационной воде, передает гидростатическое давление, по другим свойствам она имеет как сходства, так и различия, например, температура замерзания у нее, как и у связанной воды, может быть значительно ниже нуля (если капилляры 0 1,6 мм г₃ = —6,4 °С; при 0 0,06 мм Г₃ = -19 °С).

Эта вода способна передвигаться за счет разности температур (от холода к теплу), растворять и переносить соли; при испарении воды эти соли кристаллизуются и этим разрушают структуру грун­тов и строительных материалов, например в дорожных одеждах.

Переходим к рассмотрению гравитационной воды, которую по­дразделяют на: 1) просачивающуюся и 2) воду грунтового потока.

Первый вид воды преимущественно располагается в зоне аэрации (зона аэрации—это часть грунтового массива, располага­ющегося между поверхностью земли и поверхностью грунтовых вод; в этой зоне грунт находится в трехфазном состоянии: мине­ральные частицы—воздух—вода) и перемещается под действием гравитационной силы сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока вода не встретит на своем пути слой грунта, об­ладающий малой водопроницаемостью,— фактически водонепро­ницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее дви­жение воды происходит под влиянием напора в виде потока грунтовых вод. Слой грунта, в котором движется вода фунтового потока, называют водоносным горизонтом.

В различных по степени дисперсности и неоднородности грунтах количество гравитационной воды может быть различным: так, в крупнообломочных грунтах (гравий, галечник) и в крупно­зернистых песках гравитационная вода преобладает над другими видами воды.

Максимально возможное содержание в грунте связанной, ка­пиллярной и гравитационной воды при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта.

Гравитационная вода обладает всеми свойствами обычной во­ды. Она содержит в себе растворенные соли и газы, а также веще­ства в коллоидальном состоянии. Общая минерализация лежит в пределах от нескольких сот миллиграммов до нескольких сот граммов на литр, к примеру, соленость морской воды равна 35 г/л.

Минерализация подземных вод увеличивается с глубиной. Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с твердой составляющей грунтов и взаимодействуют с ней.

Гравитационная вода практически всегда находится в движе­нии. Проблемами динамики подземных вод и влиянием их на

строительные свойства массивов и слоистых толщ грунтов зани­мается гидрогеология. Движущаяся вода способна к растворению горных пород, выносу из них частиц, т. е. к изменению структу­ры и состава грунтов, к образованию и активизации геологиче­ских процессов.

Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля грави­тационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте как прослои различной, иногда зна­чительной мощности, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Кристаллический лед в большинстве случаев играет роль природного цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта.

Свойства мерзлых рыхлых грунтов зависят от изменений тем­пературы, особенно при колебаниях ее около О "С, так как вбли­зи этой границы резко меняется количество в грунте незамерз-шей воды. Соотношение содержания незамерзшей воды и льда в грунте влияет на изменение большей части физических и хими­ческих свойств дисперсных мерзлых грунтов.

Резкое изменение строения грунтов происходит при миграции влаги и льдовыделении в процессе промерзания дисперсных, особенно глинистых, грунтов. Эти изменения влекут за собой ес­тественное изменение физических и механических свойств грун­тов. Следует иметь в виду, что повторное замерзание и оттаива­ние дисперсных пород приводят к необратимым изменениям структуры (и в том числе степени дисперсности) и свойств этих пород, так, например, увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяются прочность, электрические и другие свойства.

Влажные песчаные грунты при промерзании резко изменяют свои свойства уже при близких к нулю отрицательных темпера­турах; глинистые же грунты при замерзании изменяют свои свойства более плавно, монотонно и в более значительном диа­пазоне отрицательных температур. Неразрушенные скальные по­роды при промерзании изменяют свои физические и механиче­ские свойства в наименьшей мере. Изучением свойств мерзлых грунтов занимается мерзлотоведение. Мерзлые грунты распро­странены в России широко, поэтому в строительстве их исполь­зуют очень часто. Кроме того, значительные территории страны относятся к климатическим зонам, где грунты испытывают по­стоянное (ежегодное) сезонное промерзание — оттаивание.

---

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 170; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!