Свойства грунтов — виды структуры и текстуры грунтов

Скальные грунты

Скальные грунты — монолитные породы или в виде трещиноватого слоя с жесткими структурными связями, залегающие в виде сплошного массива или разделенные трещинами. К ним относятся магматические (граниты, диориты и др.), метаморфические (гнейсы, кварциты, сланцы и др.), осадочные сцементированные (песчаники, конгломераты и др.) и искусственные.

Они хорошо держат нагрузку на сжатие даже в водонасыщенном состоянии и при отрицательных температурах, а также не растворимы и не размягчаются в воде.

Являются хорошим основанием для фундаментов. Единственная сложность — это разработка скального грунта. Фундамент можно возводить непосредственно на поверхности такого грунта, без какого-либо вскрытия или заглубления.

Крупнообломочные грунты

Крупнообломочные — несвязные обломки скальных пород с преобладанием обломков размером более 2 мм (свыше 50%).

По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты подразделяют на:

• валунный d>200 мм (при преобладании неокатанных частиц — глыбовый),
• галечниковый d>10 мм (при неокатанных гранях -щебенистый)
• гравийный d>2 мм (при неокатанных гранях — дресвяный). К ним можно отнести гравий, щебень, гальку, дресву.

Эти грунты являются хорошим основанием, если под ними расположен плотный слой. Они сжимаются незначительно и являются надежными основаниями.

При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40% или глинистого заполнителя более 30% от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляют наименование вида заполнителя, и указывают характеристики его состояния. Вид заполнителя устанавливают после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Если обломочный материал представлен ракушкой в количестве ≥ 50%, грунт называют ракушечным, если от 30 до 50% — к наименованию грунта прибавляют с ракушкой.

Крупнообломочный грунт может быть пучинистым, если мелкая составляющая — пылеватый песок или глина.

Конгломераты

Конгломераты — крупнообломочные породы, группа скалистых разрушенных, состоящих из отдельных камней разной фракции, содержащие более 50% обломков кристаллических или осадочных пород, не связанных между собой или же сцементированных посторонними примесями.

Как правило, несущая способность таких грунтов достаточно высокая и способна выдержать вес дома в несколько этажей.

Хрящеватые грунты

Хрящеватые грунты — это смесь глины, песка, обломков камней, щебня и гравия. Они плохо размываются водой, не подвержены вспучиванию и вполне надежны.

Они не сжимаются и не размываются. В этом случае рекомендуется закладка фундамента с заглублением, как минимум, в 0,5 метра.

Набухающие

К таким грунтам можно отнести некоторые разновидности глиносодержащих грунтов. Набухающие грунты имеют свойство увеличиваться в объемах при контакте с водой, им также свойственна усадка при высыхании. Показатель влажности на пределе текучести, а также число пластичности у таких грунтов весьма высокие, природная влажность < влажности на границе раскатывания. Пески и супеси не подвержены набуханию практически, зато суглинки и глины подвержены этому свойству пропорционально содержанию в них частиц глины.

Опасность таких грунтов заключается в том, что любое изменение уровня грунтовых вод спровоцирует набухание, и последующую просадку грунта в связи с уменьшением объема грунта после подсыхания.

Степень возможного набухания определяется в процессе лабораторных компрессионных испытаний.

Подробнее про набухающие грунты, про расчетные характеристики, про деформации основания в следствии усадки и набухания – прочитайте в разделе 6.2 “Набухающие грунты” в СП 22.13330.2011. Там же приведена формула по расчету подъема основания в результате набухания.

Какие меры принимают для предотвращения усадок грунта под фундаментом? 

• хороший дренаж и водоотведение;
• предварительное замачивание;
• устройство песчаных подушек;
• замена набухающего грунта поностью или частично;
• прорезка набухающего грунта, опирание фундамента на более надежный слой грунта (если слой набухающего грунта не больше 12 м).

Строительные грунты

Строительные грунты – это горные породы с разной степенью разрушения. В них практически нет органических веществ. Свое название они получили из-за основной сферы использования.

Строительные грунты применяются:

• Как основание фундаментов, дорог, пешеходных зон
• Как материал для производства бетона и асфальта (щебень, песок)
• Для отсыпки дорог и площадок
• Для засыпки котлованов, траншей, ям, пазух фундаментов
• Для обустройства территории и ландшафтного дизайна

В эту группу мы также относим и те грунты, которые есть на участке и служат в качестве основания зданий.

Строительная группа тоже разделяется на природные и техногенные.

Природные строительные грунты

По характеру структурных связей между отдельными частицами они разделяются на:

• Скальные
• Дисперсные
• Мерзлые

Скальные грунты разделяются на группы по признаку своего происхождения:

• Магматические
• Метаморфические
• Осадочные

Дисперсные грунты, в зависимости от прочности связей между частицами, бывают:

• Связные
• Несвязные

Мерзлые грунты разделяются на:

• Скальные
• Полускальные
• Связные
• Несвязные
• Ледяные

Мерзлые грунты также бывают постоянными и временными. Первый вариант встречается в регионах с вечной мерзлотой, второй возникает зимой в областях с умеренным климатом.

С природными грунтами строители имеют дело перед началом работ, когда проводят анализ участка. Минимальному воздействию подвергаются основания фундаментов и дорог, состоящие из прочной породы. Остальные грунты тем или иным образом изменяются и переходят в категорию техногенных. О них мы расскажем дальше.

Техногенные строительные грунты

К техногенным грунтам можно отнести все нерудные материалы, которые используются в строительстве и прошли дополнительную обработку.

Они включают:

• Щебень
• Отсев
• ПЩС
• ПГС
• Обогащенный песок
• Строительную глину
• Вскрышной грунт

Физическое выветривание

Физическое выветривание подразделяется на температурное и морозное.

Температурное выветривание – разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры. Известно, что при нагревании и охлаждении твёрдые тела изменяют свой объём. Не являются исключением горные породы и минералы. В результате суточных колебаний температуры в массиве горных пород возникают напряжения двух типов.

Напряжения первого типа (называемые объёмно-градиентными) связаны с неравномерным нагреванием поверхностной и более глубоких частей массива; различие температур (и, соответственно, различное расширение) в этих частях массива приводят к образованию трещин, направленных параллельно его поверхности. Вследствие этого происходит шелушение и отслаивание пород, называемое десквамацией.

Десквамация в слоистой карбонатной породе (плато Лаго-Наки, Большой Кавказ)

Десквамация вулканических пород (вулканический массив Карад-Даг, Крым)

Второй тип напряжений в пределах объёма породы и минерала связан с различием коэффициентов теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения этого типа приводят к раскалыванию до уровня минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности, до образования частиц размером до сотых долей мм. Быстрее разрушаются темноокрашенные минералы и породы, а также крупнокристаллические полиминеральные породы с большими различиями коэффициентов расширения составляющих их минералов.

Так в процессе температурного выветривания массив пород разрушается с образованием обломочных пород различного размера – от щебня до алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность возникающих таким путём обломочных отложений.

Наиболее активно температурное выветривание протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в нивальных областях и в высокогорных районах, не покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух факторов: 1) резкие суточные колебания температуры, достигающие 50оС и 2) обнажённость горных пород ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного слоя.

Морозное выветривание – разрушение горных пород в результате периодического замерзания попадающей в трещины воды.

Попадая в трещины, в холодное время суток вода замерзает – превращается в лёд, объём которого, как известно, значительно выше, чем исходный объём воды. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки трещин весьма существенно давление, достигающее 1000 кг/см3 и более, что значительно выше прочности большинства горных пород. Давление льда приводит к расширению трещин и раскалыванию пород на крупные обломки размером от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная вода не способна проникать в микротрещины.

Наиболее активно морозное выветривание протекает в холодных и умеренных областях с резкими суточными колебаниями температуры, а также в области развития вечной мерзлоты и в зоне деятельности ледников.

Образующиеся в ходе физического и химического выветривания продукты разрушения могут быть перемещены с места своего образования под действием водных потоков, ветра, движущихся ледников и других экзогенных факторов  (процесс перемещения продуктов разрушения горных пород называется денудация) или остаться на месте своего образования. Продукты выветривания, залегающие на месте своего образования, называются элювий. К элювию относят продукты выветривания, не смещённые за пределы площади развития материнских пород (субстата за счёт которого они образовались).

В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта. Если выветривание происходит в горной области, где имеются плоские, горизонтальные поверхности, то продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и более мелкого дресвяного материала. В результате создаются элювиальные россыпи и ландшафты беспорядочного нагромождения глыб, получившие название «каменных морей».

Характерным ландшафтом зон физического выветривания являются каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Гаммады представляют собой нагромождения глыб и щебня, образующиеся за счёт выветривания горизонтально лежащих платов горных пород и выноса ветром  пылеватых и песчаных продуктов их разрушения. Краю пластов часто расчленены на останцы конусовидной формы, понижения между которыми заполнены россыпями каменных глыб и щебнем.

Говоря о физическом выветривании необходимо подчеркнуть, что оно приводит к механической дезинтеграции пород и минералов, но не приводит к их химическому преобразованию.

Прочностные характеристики грунтов

Окончательным этапом геологических исследований (как лабораторных, так и упрощенных) должна стать прочность грунтов на участке. Она будет определять геометрические размеры фундамента и материалы, использованные для изготовления (например, арматура для железобетонных конструкций).

В зависимости от того, какие виды грунтов залегают на участке, меняется несущая способность основания. Для расчетов чаще всего необходимо значение, которое показывает максимальную нагрузку в кг на 1 см2 площади. Классификация грунтов по прочности приведена в таблице.

Тип грунта	Расчетная несущая способность
для фундаментов мелкого заложения (1 — 1,5 м)	для фундаментов глубокого заложения (2—2,5 м)
Щебень и галька	4,5 кг/см2	6 кг/см2
Щебень и галька с включением глинистых частиц	2,8 кг/см2	4,2 кг/см2
Дресва и гравий	4 кг/см2	5 кг/см2
Песок гравелистый и крупной фракции	3,2 кг/см2	5,5 кг/см2
Твердые глины	3,0 кг/см2	4,2 кг/см2
Пластичные глины	1,6 кг/см2	2 кг/см2
Песок средней фракции	2,5 кг/см2	4,5 кг/см2
Песок мелкой фракции (с невысокой влажностью)	2 кг/см2	3,5 кг/см2
Песок мелкой фракции (с высокой влажностью)	1,5 кг/см2	2,5 кг/см2
Суглинки	1,7 кг/см2	2 кг/см2
Супеси	1,5 кг/см2	2,5 кг/см2

Если правильно определить, какие виды грунта залегают на участке строительства, выбрать геометрические размеры фундамента и их конструкцию в зависимости от свойств основания, можно не переживать за долговечность и надежность здания.

Хорошая реклама

Расчет

Расчет несущей способности — это основная цель геологических изысканий. Выполнять его можно только после определения типа пород внутри скважин и получения чертежей геологических разрезов на территории строительной площадки.

Чертеж поможет определить положение слоев пород в толще земли и даст представление о возможности строительства на площадке.

Несущая способность (R) определяется по формуле согласно алгоритму:

1. Значение R0 (сопротивление осевому сжатию) определяется с помощью таблицы и напрямую зависит от типа грунта;
2. Рассчитывается глубина промерзания. Это значение индивидуально для каждого региона. Будет зависеть от типа пород в верхних слоях;
3. Выбирается оптимальная глубина заложения в толще одного из прочных слоев непучинистого грунта, ниже глубины промерзания;
4. Выполняется расчет по формулам: R=R0*[1+k1*(b-100)/100]*(d+200)/2*200 — при принятой глубине заложения до 2 м и R=R0*[1+k1*(b-100)/100]+k2*g*(d-200) — когда глубина заложения превышает 2 м.

Данные для расчета:

• k1 — коэффициент берется из таблицы в зависимости от вида породы. 0,125 для устойчивых крупнообломочных или песчаных и 0,5 для глин, супеси и суглинков;
• k2 — применяется для расчетов несущей способности устойчивых пород (слежавшиеся крупнообломочные или песчаные породы);
• g — необходим для нахождения удельного веса грунта от подошвы слоя и до нижней части фундамента или следующего слоя;
• b — ширина, опирающейся на основание части фундамента;
• d — глубина заложения.

После нахождения фактической несущей способности ее сравнивают с требуемой. Если вторая будет больше первой, то придется менять конструкцию будущего дома (увеличивать площадь опирания фундамента на основание или глубину заложения, менять вид фундамента, выбирать в качестве основания другой, более прочный слой).

Перемещение воды в порах грунта

Движение воды сквозь поры грунта, происходящее под влиянием разности напоров, называется фильтрацией. Если скорость движения воды не превышает некоторого критического для исследуемого грунта значения («критическая скорость»), что обычно имеет место в природных условиях, то скорость фильтрации v согласно закону Дарси:

v = k_ф(H₁ — H₂)/L = k_фi

где L — расстояние между двумя точками на пути фильтрации, напоры в которых соответственно равны Н₁ и Н₂; i — гидравлический градиент; k_ф — коэффициент фильтрации.

Коэффициент фильтрации — это количественная характеристика степени водопроницаемости грунта, выражающая скорость фильтрации при гидравлическом градиенте i =1. При наличии в грунте связанной воды явление фильтрации возникает только тогда, когда градиент i превышает некоторое значение начального градиента i_н.

Скорость фильтрации равна

v = k_ф(i — i_н)

Коэффициент фильтрации может быть определен:

— расчетом по формулам в зависимости от гранулометрического состава грунта. Это метод применим для однородных песков средней крупности;

— лабораторными испытаниями на специальных приборах;

— путем опытных откачек и нагнетания в полевых условиях. Это метод применим для грунтов с коэффициентом фильтрации > 5·10-3 см/сек.

Далее приводятся ориентировочные значения коэффициентов фильтрации (в см/сек) для различных грунтов:

глины нетрещиноватые: < 10-7

суглинки, тяжелые супеси: 10-6 — 10-7

супеси, трещиноватые глины: 10-4 — 10-6

пылеватые и мелкозернистые пески: 10-3 — 10-4

среднезернистые пески 10-1 — 10-3

крупнозернистые пески, галечники: 10-2 — 10-1

Вода, перемещаясь в порах, создает давление на скелет грунта. Такое давление называется гидродинамическим и его можно рассматривать как некую объемную силу j, представленную вектором, направленным по касательной к линии потока. Значение гидродинамического давления (в г/см3, т/м3)

j = iγ_в = γ_в(v/k_ф)

где γ_в — удельный вес воды.

Если фильтрационный поток направлен снизу вверх, что бывает при вскрытии котлованов, дренажных работах, бурении и др., гидродинамическое давление может превысить вес вышележащей толщи грунта и вызвать гидродинамическое выпирание грунта.

Градиент, при котором начинается гидродинамическое выпирание грунта, называется критическим

i_кр = (γ_ч — γ_в)/(γ_в(1 + ε))

где γ_ч — удельный вес грунта; ε — коэффициент пористости грунта.

Фильтрация воды под воздействием разницы потенциалов постоянного электрического тока называется электроосмосом и применяется в строительстве с целью временного водопонижения в глинистых грунтах. Грунтовые воды также перемещаются в парообразном и пленочном состоянии. Водяной пар перемещается в область с более низкой температурой из области с более высокой температурой. В пленочном состоянии вода движется всегда в сторону больших молекулярных сил поверхностного притяжения минеральных частиц, т. е. от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной.

Стоит сказать, что это еще далеко не все из известных и важных свойств грунтов, но для первичного ознакомления, думаю, этого пока хватит.

Грунты — это любые горные породы, которые используются при строительстве самых различных сооружений

Грунты могут быть основанием, когда на них возводится фундамент, средой — когда в грунтах прокладываются туннели, подземные ходы, катакомбы и прочие подземные сооружения. Грунты также могут быть и материалом, когда используются для устройства насыпей, подсыпок, плотин и т.п.

Сейчас различают три основные группы горных пород, образовавшихся под воздействием различных природных и временных факторов:

1. Магматические породы

К ним относятся граниты, диориты, сиениты, порфиры и т.п. Магматические породы сформировались при застывании извергнувшейся из недр земли магмы. Эти породы как правило имеют очень плотную структуру и потому рассматриваются как твердые тела с высокой прочностью.

осадочные и метаморфические.

2. Осадочные породы

Образовались при разрушении магматических горных пород посредством переноса и отложения (оседания) продуктов разрушения. К осадочным породам относятся обломочные (сцементированные и несцементированные), глинистые, химические и биохимические породы.

3. Метаморфические породы

Образовались в процессе значительных изменений магматических и осадочных горных пород под действием различных факторов: давления, высокой температуры, химически активных газов магмы. К метаморфическим породам относятся мраморы, сланцы, гнейсы, кварциты, и др.

При возведении домов строители чаще всего сталкиваются с наиболее молодыми осадочными породами, относящимися к четвертичному периоду. Горные породы третичного, юрского и других периодов находятся ниже, сформировались раньше и имеют, как правило, большую прочность и малую сжимаемость в результате длительного воздействия расположенных сверху более молодых осадочных пород четвертичного периода. Такие более древние породы иногда называют коренными породами.

Среди пород четвертичного периода наибольшее распространение, а потому и наибольшую важность при изучении свойств имеют

1. Глинистые грунты

Глины, суглинки, супеси, относящиеся к глинистым грунтам (породам) имеют достаточно сложную структуру. Они сформированы из очень мелких частиц, включающих так называемые вторичные минералы. Вторичные минералы образовались из первичных минералов в процессе механического разрушения, выветривания, переноса ветром или водой и при последующем отложении на дне океанов, морей, рек и других водоемов. Оставшиеся на месте продукты выветривания называют элювиальными отложениями, а перемещенные ветром, дождем и снегом с возвышенностей к их подножью — делювиальными отложениями.

2. Песчаные грунты

Гравий, галечники и песок также являются продуктами выветривания, но от глинистых грунтов отличаются более крупными размерами частиц.

Отложения песчаных и глинистых грунтов в речных долинах называют аллювиальными отложениями. Продукты выветривания также отлагались при движении ледников — моренные ледниковые отложения.

Механика грунтов основное внимание уделяет изучению так называемых «рыхлых» пород. Под рыхлыми породами подразумеваются перечисленные выше образования, сформированные из отдельных минеральных частиц, слабо связанных друг с другом или не связанных совсем

Поры между частицами грунта могут быть заполнены водой и(или) газами — атмосферным воздухом, водяным паром, химическими или биохимическими газами.

Таким образом, грунты рассматриваются не как некий однородный (изотропный) материал, а как сложные многофазные дисперсные системы, физические и механические свойства которых зависят от количественного соотношения и свойств твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от структуры и текстуры.

Структура грунта

описывается формой, размерами, состоянием поверхности минеральных частиц, а также их взаимным расположением и характером связей между частицами. В зависимости от наличия или отсутствия связей между частицами грунты разделяют на связные (глинистые) и сыпучие несвязные (песчаные) грунты. Песчаные и крупнообломочные (галечные, гравийные) грунты характеризуются раздельно-зернистой структурой. Мельчайшие частицы глинистых грунтов могут иметь форму игл или пластинок, при этом образуют ячеистую, ячеисто-хлопьевидную или каркасную структуру.

Лёссы и лёссовидные грунты имеют особую структуру. В таких грунтах очень много пор, при этом размеры пор больше размеров слагающих минеральных частиц, поэтому такие поры называются макропорами. Структурные связи между частицами лёссовых грунтов, образованные углекислыми солями магния и кальция, сравнительно легко растворяются в воде.

Текстура грунта

это совокупность признаков, характеризующих сложение грунта в массиве, например, грунт может иметь слоистую текстуру.

Органические (биогенные) грунты

К органическим грунтам относятся торф и сапропель, т. е. это те грунты, которые не просто содержат много органических веществ, а сформировались из остатков организмов.

Сапропель на участках встречается относительно редко — в поймах или старицах рек, на месте осушенных озер. Торф распространен шире, может залегать как с поверхности, так и быть погребенным.

Оба грунта опасны одним — сильной сжимаемостью, настолько сильной, что почти не способны нести нагрузку от сооружения. К слову, пористость торфа может достигать 600%, т. е. это природная губка.

С такими отложениями и проще, и сложнее одновременно. Очевидно, что на них строить без специальных мероприятий не получится. Варианты те же, что и насыпными грунтами (сваи, замещение грунта), а кроме того, есть еще грунтовые сваи. Способ достаточно экзотический, хотя разработан давно и иногда используется.

Коварство органоминеральных грунтов

Органоминеральными называют грунты, которые содержат от 5 до 50% органических веществ в своем составе. Если их больше 50%, то грунт считается органическим. Классификацией грунтов по содержанию органики загружать не буду, и так понятно, что чем ее меньше, тем лучше для фундамента. Такие грунты обладают сильной сжимаемостью (самый яркий пример — ил, который вообще не держит нагрузку), органические вещества могут со временем сгнить.

Пески, содержащие включения органических веществ, встречаются, но гораздо реже суглинков и глин. Один из таких примеров — истинный плывун.

У глинистых органоминеральных грунтов есть еще одна особенность, в которой и кроется коварство — реологические свойства. Это значит, что при неизменной постоянной нагрузке с течением времени уменьшаются показатели прочностных и деформационных свойств. Другое название — незатухающие деформации, т. е. дом на таких грунтах будет продолжать садиться весь срок службы, десятки лет. Чем больше органики, тем больше воды способен удерживать грунт, и тем больше будут пластические деформации.

Для водонасыщенных органоминеральных грунтов характерно еще одно свойство — разжижение при динамических нагрузках (тиксотропные свойства)

Для частного дома это не особо важно, разве что следует учитывать при выборе в качестве фундамента забивных свай

На таких грунтах строят, но в каждом конкретном случае они требуют пристального внимания как со стороны геологов, так и со стороны проектировщиков.

Как распознать органоминеральный грунт

Конечно, точный ответ дает лаборатория, но и без нее по ряду признаков можно сделать вывод о наличии органики.

1. Прежде всего, это черный или темно-серый цвет, реже темно-бурый.

2. Наличие прожилок или даже тонких слоев торфа, включения растительных волокон, неразложившихся частей растений (листья, стебли, обломки древесины).

3. Характерный болотный запах. Он бывает не всегда, но часто.

4. Органоминеральный грунт очень часто слоистый. Это не значит, что если грунт слоистый, то он содержит органику. Это значит, что слоистость в совокупности с темным цветом — повод пристальнее присмотреться к включениям.

Такие грунты могут встретиться в долинах рек и озер, вблизи болот, в низинах рельефа.