Инженерная геология с основами грунтоведения

1.

Инженерная геология
с основами
грунтоведения

2. Инженерная геология – наука о геологических условиях строительства инженерных сооружений

История инженерной геологии
Первый период связывают с началом строительства человеком крупных
инженерных сооружений - пирамид в Древнем Египте, хамов и дворцов в
Месопотамии, Индии и др. Строители и инженеры изучали горные породы
оснований будущих сооружений, выбирая наиболее надежные породы для
обеспечения устойчивости возводимых конструкций. Большой строительный
опыт был накоплен в Древней Греции, Римской и Византийской империях, а
также в последующие эпохи.

3.

Второй период развития начался в XVIII
веке, когда стали накапливаться и
систематизироваться первые научные знания
о грунтах основания сооружений, их
свойствах, а также их учете при возведении
зданий и иных сооружений, и продолжался до
20-х годов ХХ века. Первые упоминания о
"строительных" свойствах различных грунтов
были изложены в работе М.В.Ломоносова "О
слоях земных
М.В.Ломоносов
(1711-1765)

4.

Большой вклад в изучение грунтов для целей
строительства внес французский военный
инженер-строитель и изобретатель, член
Парижской Академии наук Ш.О.Кулон.
Проектируя возведение земляных крепостных
валов, он установил закон трения, получивший
его имя - закон Кулона. Этот закон считается
одним из важнейших в современной механике
грунтов.
В XIX веке с развитием капитализма,
расширением строительства заводов, фабрик,
плотин, каналов, железных дорог все больше
геологов привлекалось для решения вопросов
геологического
обоснования
возводимых
различных инженерных сооружений.
Шарль Огюстен Кулон
(1736-1806)

5.

Третий этап истории инженерной геологии
начинается с 20-х годов ХХ века с
возникновения грунтоведения и механики
грунтов. В 1923 г. в Петрограде было создано
Дорожно-исследовательское бюро, в котором
началось исследование почв и осадочных
пород для дорожного строительства. Возникло
"дорожное грунтоведение". Одновременно с
грунтоведением возникла и механика грунтов.
В 1925 г. вышла книга К.Терцаги
"Строительная механика грунтов»

6.

В это же время возникло и другое
научное направление,
связанное с
изучением
влияния
геологических
процессов на возводимые инженерные
сооружения, получившее тогда название
"инженерная
геодинамика".
Это
направление в СССР развивалось в связи
с гидротехническим строительством.
В последующие годы связь между
грунтоведением
и
инженерной
геодинамикой
расширялась
и
укреплялась. К концу первого периода эти
два направления слились в одну науку инженерную геологию.

7. Основоположники инженерной геологии России

Карпинский
Александр Петрович
(1846-1936)
Левинсон-Лессинг
Фёдор Юрьевич
(1861—1939)
О́бручев Влади́мир
Афана́сьевич
(1863—1956)

8. Внесли большой вклад в развитие инженерной геологии

Саваренский Фёдор
Петрович
(1881 — 1946)

9. Внесли большой вклад в развитие инженерной геологии

Ломтадзе Валерий
Давидович

10.

Четвертый этап развития инженерной геологии (1950-1990
гг.) в нашей стране начался с середины ХХ века и
продолжался до распада СССР. Он характеризовался бурным
развитием грунтоведения, механики грунтов и инженерной
геодинамики. Учитывая огромную практическую значимость
инженерной геологии, подготовка инженеров-геологов была
организована во многих высших учебных заведениях СССР от Москвы до Якутска.
Первая кафедра Инженерной геологии организована в
Москве в 1929 году в Московском Геологоразведочном
институте.
В ТюмГНГУ кафедра Гидрогеологии и инженерной геологии
организована в 1969 году. Основатель кафедры
В.М.Матусевич

11.

• Пятый этап развития инженерной геологии (1991 г. - ныне)
На этом этапе коренным образом изменилась организация
инженерно-геологических исследований и инженерных
изысканий. Вместе с тем, существенно расширились
теоретические
исследования
во
всех
направлениях
инженерной геологии, а также началось бурное внедрение
информационных
технологий,
разработка
специализированных
инженерно-геологических
ГИС,
внедрение автоматизированных средств изучения грунтов

12. Инженерные изыскания

13.

Пиза́нская башня — колокольная
башня, часть ансамбля городского собора
Санта-Мария Ассунта (Пизанский собор)
в городе Пиза
Автором проекта является Бонанно
Пизано. Строительство башни велось в 2
этапа, начиная с 9 августа 1173, и с двумя
длинными перерывами продолжалось
почти 200 лет, до 1360 года.
Раньше считали, что наклон башни
являлся частью проекта, но сейчас эта
версия представляется маловероятной.
Проект башни был ошибочен с самого
начала
—
сочетание
маленького
трехметрового фундамента и мягкой
почвы привело к тому, что после
строительства третьего этажа (1178)
башня наклонилась. Почву укрепили и в
1198
году
незаконченное
здание
временно открыли.
С того времени, как начались постоянные
измерения башни в 1911 году, было
зафиксировано, что вершина наклоняется
на 1,2 миллиметра в год. На сегодняшний
день,
вершина
Пизанской
башни
наклонена на 5,3 м от центра.

14.

15. Научные направления инженерной геологии

Структура современной инженерной
геологии и её основные научные
направления: 1 — грунтоведение;
2 — инженерная геодинамика;
3 — региональная инженерная геология;
а — общее грунтоведение;
б — общая инженерная геодинамика;
в — общая региональная инженерная
геология;
г — геодинамическое грунтоведение;
д — региональная инженерная
геодинамика;
е — региональное грунтоведение

16. Грунтоведение

Грунтоведение - это научное направление инженерной геологии,
исследующее состав, состояние, строение и свойства грунтов и
сложенных ими грунтовых толщ (тел и массивов), закономерности их
формирования и пространственно-временного изменения
под
воздействием современных и прогнозируемых геологических
процессов, формирующихся в ходе развития земной коры под
влиянием совокупности всех природных факторов и в связи с
инженерно-хозяйственной, прежде всего инженерно-строительной
деятельностью человечества.
Объект изучения - грунты и сложенные ими грунтовые толщи.
Предмет - знания о грунтах, их составе, строении, состоянии и
свойствах.

17.

Под ГРУНТОМ понимают любые ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, ПОЧВЫ, И
ТЕХНОГЕННЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ, обладающие определенными генетическими
признаками и рассматриваемые как МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ
ДИНАМИЧНЫЕ системы, находящиеся под воздействием инженерной
деятельности человека.

18.

Горные породы (Геологический словарь. 1978 г.) – это
ЕСТЕСТВЕННЫЕ минеральные агрегаты определённого
состава и строения,
сформировавшиеся в результате
геологических
процессов и залегающие в земной коре в
виде самостоятельных тел.
Различают три генетических типа: ОСАДОЧНЫЕ,
МАГМАТИЧЕСКИЕ И МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ – это
СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ.
ПОЧВА - это ОСОБОЕ природное образование, обладающее
некоторыми свойствами, присущими живой и неживой природе,
и
возникающее
в
результате
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
поверхностных слоёв ЛИТОСФЕРЫ под совместным
воздействием
ВОДЫ, ВОЗДУХА И ОРГАНИЗМОВ.

19. Классификация Ф.П. Саваренского (1937г.)

Группа А. Твердые компактные «скальные» породы.
Не сжимаемы, прочные. Невлагоемкие. Водопроницаемы лишь по трещинам. Крепкие, устойчивы в откосах
(массивно-кристаллические, магматические и метаморфические, отвердевшие осадочные – песчаники,
конгломераты, доломиты, известняки).
Группа В. Относительно твердые и компактные «полускальные» породы.
Слабо сжимаемы. Довольно прочные (R от 50 до 500 кгс/см2). Слабоводопроницаемы, но проницаемы по
трещинам. Устойчивы в откосах. Имеют разную растворимость (осадочные – гипс, каменная соль;
слабосцементированные; сланцеватые глины; глинистые известняки, мел; каменный уголь и др.).
Группа С. Мягкие связные пластичные породы.
Слабопроницаемы или водоупоры. Влагоемки. Сжимаемы. Изменяют объем с изменением влажности.
Прочность и крепость зависят от степени увлажнения. В сухом состоянии имеют вертикальные откосы.
Крутизна откоса зависит от влажности (глины, суглинки, лессовидные отложения).
Группа D. Рыхлые несвязные породы.
Не сжимаемы. Невлагоемки. Хорошо водопроницаемы. Угол откоса 30-40о (крупнообломочные, пески).
Группа Е. Мягкие рыхлые породы особого состава и состояния – «слабые».
Обладают различными свойствами. Требуют индивидуального подхода.

20. Состав грунта. Минеральный состав.

Грунт система многокомпонентная.
Составляющие компонента:
- твердый компонент
- жидкий компонент
- газовый компонент
- биотический компонент
20

21. Минералы класса первичных силикатов

Кварц
Оливин
Полевые шпаты

22. Глинистые минералы

Каолинит
Монтмоллилонит
Гидрослюды

23. Простые соли

• Легкорастворимые
Галит
Сильвин

24. Простые соли

• Среднерастворимые
Гипс

25. Простые соли

• Труднорастворимые
Кальцит
Доломит

26. Органическое вещество

• Торф 50-100% о.в.
• Заторфованный грунт 10-50 % о.в.
• С включениями органического вещества
менее 10% о.в.

27.

28.

28

29.

29

30. Газовый компонент

КИСЛОРОД
УГЛЕКИСЛЫЙ
ГАЗ
МЕТАН
ВОДЯНОЙ
ГЕЛИЙ
ПАР
Вызывает
окисление
Увеличивает
агрессивность
подземных
вод и
способствует
растворению, участвует в
восстановительных
процессах
Увеличивает
водопроницаемость и
повышает
поровое
давление
Изменчив,
подвижен,
способствует капиллярной
связности
ТЯЖЕЛЫЕ
УГЛЕВОДОРОДЫ
Показатель
тектонических
разломов
Показатель
залежей
нефти
ЗАЩЕМЛЕННЫЙ
В
ЗАКРЫТЫХ
ПОРАХ
ГАЗ
ЗАЩЕМ
-ЛЕННЫЙ
АДСОРБИРОВАН НЫЙ
ГАЗ
РАСТВОРЕН
-НЫЙ
Может
накапливаться в
насыпях и
создавать
большие
давления.
Может прорываться и
разрушать
эти насыпи
Обусловливает
очень
длительную осадку грунтов
и уменьшает
водопроницаемость
Оказывает
активное
влияние
на
изменение
свойств
грунтов
ГАЗ
30

31. Биотический компонент

Высшие растения
Макроорганизмы
Отмершие
остатки, корни,
корневые волоски
Черви, мыши –
способствуют
разрыхлению
почвы, снижению
прочности,
проявлению
гравитационных
процессов на
склонах
Микроорганизмы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Вызывают разрушение минералов,
превращение одних минералов в другие
Выводят из строя дренажные системы
Образуют агрегаты частиц грунта
(укрупняют)
Изменяют механическую прочность
(цементируют или уменьшают)
Изменяют пористость (увеличивают или
уменьшают)
Соответственно пористости изменяется
водопроницаемость
Превращают воду и грунт в агрессивные
Приводят к загазованности
Способствую образованию «истинных»
плывунов
31

32. Гранулометрический состав

Гранулометрический состав характеризует
количественное соотношение различных
фракций в дисперсных породах
Фракция – группа частиц близких по
размеру
32

33. Сита для определения гранулометрического состава грунтов

34. Классификация структурных элементов твердого компонента грунта по размеру

Слагающие элементы
Размеры слагающих
элементов, мм
Классы
Фракции
Валуны и камни
Крупные
Средние
Мелкие
>800
400-800
200-400
Галька и щебень
Крупные
Средние
Мелкие
100-200
60-100
40-60
Гравий и дресва
Очень крупные
Крупные
Средние
Мелкие
20-40
10-20
4-2
2-4
Песчаные частицы
Грубые
Крупные
средние
мелкие
Тонкие
1-2
0,5-1
0,25-0,5
0,10-0,25
0,05-0,10
Пылеватые частицы
Крупные
Мелкие
0,01-0,05
0,001-0,01
<0,001
Глинистые частицы
34

35. Классификация дисперсных грунтов по гранулометрическому составу (по В.В. Охотину)

Содержание частиц мм, %
Грунт
Глина тяжелая
Глина
Глина пылеватая
Суглинок тяжелый
Суглинок тяжелый
пылеватый
Суглинок средний
Суглинок средний
пылеватый
Суглинок легкий
Суглинок легкий
пылеватый
Супесь тяжелая
Супесь тяжелая
пылеватая
Супесь легкая
Супесь легкая
пылеватая
Песок
Глинис
тых
<0,005
Пылеватых 0,005-0,05
Песчаных 0,005-2,0
Гравийн
ых >2,0
>60
30-60
30-60
20-30
Не регламентируется
Больше, чем песчаных
-
Не регламентируется
Больше, чем пылеватых
Больше, чем пылеватых
Менее 10
Менее 10
Менее 10
Менее 10
20-30
15-20
Больше, чем песчаных
-
Больше, чем пылеватых
Менее 10
Менее 10
15-20
10-15
Больше, чем песчаных
-
Больше, чем пылеватых
Менее 10
Менее 10
10-15
6-10
Больше, чем песчаных
-
Больше, чем пылеватых
Менее 10
Менее 10
6-10
3-6
Больше, чем песчаных
-
Больше, чем пылеватых
Менее 10
Менее 10
3-6
<3
Больше, чем песчаных
-
Больше, чем пылеватых
Менее 10
35
Менее 10

36. Классификация песчаных грунтов по гранулометрическому составу

Наименование пород
Крупнообломочные
Грунт щебенистый (при преобладании окатанных
частиц – галечниковый)
Грунт дресвяный (при преобладании окатанных
частиц – гравийный)
Песчаные
Песок гравелистый
Песок крупный
Песок средней крупности
Песок мелкий
Песок пылеватый
Распределение частиц по крупности в % от
веса сухой породы
Масса частиц крупнее 10 мм составляет более 50 %
Масса частиц крупнее 2 мм составляет более 50 %
Масса частиц крупнее 2 мм составляет более
25 %
Масса частиц крупнее 0,5мм составляет более
50 %
Масса частиц крупнее 0,25мм составляет более
50 %
Масса частиц крупнее 0,1 мм составляет более
75 %
Масса частиц крупнее 0,1 мм составляет менее 75%
36

37. Суммарная кривая гранулометрического состава

37

38.

Cv – коэффициент неоднородности
d60
Cv = ——
d10
d60 –
диаметр
шестидесяти
(размер
частиц,
соответствующий ординате 60% на суммарной кривой);
d10 – действующий или эффективный диаметр (размер
частиц, соответствующий ординате 10% на суммарной
кривой)
По степени неоднородности грунты делятся на:
- однородные при Cv < 3;
- неоднородные Cv > 3
38

39. Диаграмма-треугольник гранулометрического состава

39

40. Физические и водные свойства грунтов

1. Влажность - это все количество воды содержащее в порах
грунта в естественном залегании
Влажность характеризует количественное содержание жидкого компонента в
грунте
Естественная влажность – это количество воды содержащееся в порах
грунта в его естественном залегании.
m воды
W = ———
m абс.сух грунта
[абс.ед, %]
2. Относительная влажность – это степень заполнения
пор водой
W * ρs
Sr = ——
e * ρ воды
ρs – плотность минеральный частиц грунта, г/куб.см
e – коэффициент пористости
40

41.

Максимальная
гигроскопическая
влажность
характеризует общее количество адсорбированной
(прочносвязанной) воды – это влажность сухого грунта.
Максимальная
молекулярная
влажность
характеризует общее содержание прочносвязанной
капиллярной и части осмотической воды.
Капиллярная влажность характеризует количество
воды, заполняющей все капиллярные поры
3. Влагоемкость
способность грунта вмещать и
удерживать в себе воду
41

42.

3. Плотность
Плотность – физическое свойство грунтов, количественно
оцениваемое величиной отношения их массы к занимаемому объему.
m
ρ = — , кг/м3 ; г/см3
V
Характеристики плотности
Плотность твердых частиц – это масса единицы объема твердых
частиц
mчастиц
ρs = ———
Vчастиц
Зависит от:
- минерального состава (у основных пород 3,00-3,40 г/см3, у
кислых 2,63-2,75 г/см3);
- наличия водорастворимых солей;
- гранулометрического состава (пески – 2,65 г/см3, супеси 2,68
г/см3, суглинка 2,70 г/см3, глины 2,74 г/см3) (по Д.Е. Польшину, 1948 г.)
42

43.

Плотность грунта в естественном залегании – это масса единицы
объема грунта с естественной влажностью и природным сложением.
m вл.гр
ρе =—
V вл.гр
Зависит от: - минерального состава;
- органических веществ;
- влажности;
- пористости
У дисперсных грунтов плотность колеблется от 1,30 до 2,20 г/см3, у
магматических пород от 2,50 до 3,40 г/см3, у метаморфических от 2,10
до 2,65 г/см3.
Плотность скелета грунта в сухом состоянии – это масса единицы
объема грунта, при естественной структуре с учетом естественной
влажности
ρе
ρd = ———
1 + W (а.е)
Зависит от : - минерального состава;
- органических веществ;
- пористости.
43

44.

4. Пористость грунтов оценивается по показателям
Пористость (n) характеризует объем пор в единице объема грунта
ρs - ρd
n = ——— ; %
ρs
Коэффициент пористости (е) - отношение объема пор к объему твердой
части грунта
ρs - ρd
e = ——— ; д.ед.
ρd
44

45. 5. В о д о у с т о й ч и в о с т ь – способность грунтов сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с

водой..
Р а з м о к а е м о с т ь - способность грунтов терять связность и превращаться в
рыхлую массу с полной потерей прочности при взаимодействии со спокойной
водой. В основном размокают дисперсные грунты, максимально – лессовидные
суглинки и лессы. Сухие грунты размокают быстрее, чем водонасыщенные
разности.
Р а з м я г ч а е м о с т ь - способность скальных грунтов снижать свою прочность
при взаимодействии с водой.
Размягчаемость характеризуется коэффициентом размягчаемости Крз:
Крз = Rc (H2O) / Rc (сух)
где Rc (H2O) и Rc (сух) – временное сопротивление грунта одноосному сжатию в водонасыщенном и
воздушно-сухом состоянии.
Скальные грунты подразделяются на размягчаемые (Крз <0,75) и неразмягчаемые (Крз > 0,75).
Магматические и метаморфические породы слабо размягчаются в воде, осадочные – в большей
степени. Особенно сильно размягчаются породы, содержащие глинистые частицы.
Р а з м ы в а е м о с т ь – способность грунтов способность отдавать агрегаты и
элементарные частицы движущейся воде. Как правило, быстро размокаемые
грунты обладают высокой размываемостью.

46.

46

47. 6. Пластичность

Под пластичностью грунтов понимается его
способность под воздействием внешних сил изменять
свою форму без разрыва сплошности и сохранять
приданную форму после прекращения этого воздействия.
Физическое
состояние
пластичности
или
непластичности называют консистенцией (степень
подвижности, деформируемости грунта при определенной
влажности).
Факторы, влияющие на пластичность:
- гранулометрический состав (< 0,005 мм);
- минеральный состав (глинистые минералы);
- включения;
- состав обменных катионов (Li > Na > K > Mg > Ca > H > Al
> Fe);
- состав и концентрация водного раствора.
47

48. Показатели пластичности

1. Пределы пластичности:
Wр– влажность, при превышении которой грунт переходит из
твердого состояния в пластичное (нижний предел);
WL – влажность, при превышении которой грунт переходит из
пластичного состояния в текучий (верхний предел).
2. Число пластичности
Iр = WL – Wр , %, д.ед.
3. Показатель текучести (консистенции)
W – Wр
IL = ——— , д.ед.
Iр
Фактор, влияющий на консистенцию:
- влажность
48

49. Практическое использование

1. Как классификационный показатель:
а) по числу пластичности определяют название грунта
Супесь
Iр < 7
Суглинок
легкий Iр = 7 – 12
тяжелый Iр = 12 -17
Глина
легкая Iр = 17 – 27
тяжелый Iр > 27
б) по показателю текучести определяют консистенцию грунта
глины, суглинки
IL < 0
твердые
0 – 0,25
полутвердые
0,25 – 0,50 тугопластичные
0,50 – 0,75 мягкопластичные
0,75 – 1,0 текучепластичные
IL > 1,0
текучие
2. Для ориентировочной оценки прочности;
3. Для предварительной оценки некоторых свойств.
49
супеси
твердые
IL < 0
пластичные 0 < IL < 1
текучие
IL > 1

50. 7. Набухаемость

Набухаемость – способность грунта увеличиваться в объеме при взаимодействии с водой.
Показатели набухаемости:
Абсолютное набухание
Δhsw = h1 – h0 , мм
Относительная набухание
hsw
εsw = ———
Грунт набухающий при εsw > 0,04
h0
.
Давление набухания - Psw)
Влажность свободного набухания - Wsw
Факторы, влияющие на набухаемость:
1. Гранулометрический состав, наличие глинистых частиц (< 0,005).
2. Большая плотность.
4. Дефицит влажности (S < 0,8).
5. Структурные связи.
6. Состав обменных катионов (Li > Na > K > Mg > Ca > H > Al > Fe).
7. Сложение пород (анизотропность, слоистость).
8. Наличие гумуса .
9. Состав и концентрация воды (наибольшее в дистиллированной воде).
50

51. 8. Просадочность

Просадочность – способность грунта уменьшаться в объеме при
взаимодействии с водой.
Показатели просадочности:
Абсолютная просадочность
Δhsl = h0 - h1 , мм
Относительная просадочность
Δhsl
εsl = ———
h0
Грунт просадочный, при εsl > 0,01).
Начальное просадочное давление (Psl)
Начальная просадочная влажность (Wsl)
Факторы, влияющие на просадочность:
- наличие пылеватых часитиц (0,05 – 0,005 мм);
- макропористость;
- дефицит влажности (S < 0,8);
Компрессионная кривая просадочного грунта:
- отсутствие гумуса;
- включения (соли);
- давление на грунт
51

52. 9. Усадочность

Усадочность
-
способность
грунта
уменьшать свой объём в процессе дегидратации.
Показатели:
- абсолютная линейная усадочность
Δhsh=h0-h1, мм;
- относительная линейная усадочность
εsh=Δhsh/h0 ;
- относительно объёмная усадочность
вsh=ΔV/V0 ;
- влажность на пределе усадки – Wsh ;
- коэффициент усадки β=bsh/(ΔW-bswW0).
52

53. Стадии усадки

I
II
V IV
III
I - стадия структурной усадки
(осушение крупных пор);
II - стадия нормальной усадки
(испарение воды с
уменьшением V);
III - стадия нелинейной усадки
(испарение воды с небольшим
изменением объёма);
IV - безусадочная стадия
(уменьшение количества воды
без изменения V);
V - стадия остаточной
усадочности.
53

54. Факторы, влияющие на усадку:

- минеральный состав (глинистые минералы);
-структурные связи (малопрочные коагуляционные
связи);
- влажность;
- плотность,
- состав и концентрация порового раствора,
- обменные катионы,
- внешнее давление,
- температура,
- цикличность увлажнения-высушивания.
54

55. 10. Водопроницаемость грунтов – способность грунта пропускать через себя воду

Коэффициент фильтрации Кф– это количество воды Q, проходящее
в единицу времени через поперечное сечение F, при напорном
градиенте I = 1
Q
Кф = ------------- ( м/сут)
FI
11. К о р р о з и я грунтов– это способность грунтов разрушать
различные материалы подземных конструкций сооружений.
Характеризуется удельным электросопротивлением (ρ) в Ом*м.
Коррозионная активность проявляется при ρ < 100 Ом*м и является
весьма высокой при ρ ≤ 5.

56. ГОСТ 25100-95: Кф < 0,005 м/сутки – грунт водонепроницаемый; 0,005-0,30 м/сутки– грунт слабоводопроницаемый; 0,30-3,0 м/сутки–

ГОСТ 25100-95:
Кф < 0,005 м/сутки – грунт водонепроницаемый;
0,005-0,30 м/сутки– грунт слабоводопроницаемый;
0,30-3,0 м/сутки– грунт водопроницаемый;
3,0-30,0 м/сутки– грунт сильноводопроницаемый;
> 30 м/сутки – грунт очень сильноводопроницаемый
Ориентировочный Кф для дисперсных грунтов
глины - < 0,001 м/сутки;
суглинки - < 0,1 м/сутки;
супеси – 2-0,1 м/сутки;
пески однородные – 2-10 м/сутки;
пески пылеватые - < 1 м/сутки;
крупнообломочные - > 10 м /сутки
56

57.

Физико-механические свойства
Физико-механическими свойствами называют реакцию грунтов на действие
внешних сил
Физико-механические свойства определяют для прогноза деформируемости и
прочности грунтов.
1. Деформационные свойства
2. Прочностные свойства
3. Реологические свойства
Деформационные свойства характеризуют поведение пород под нагрузками, не
приводящими к разрушению грунта.
При действии вертикальной нагрузки в грунте развиваются линейные напряжения,
вызывающие линейные деформации. Они могут быть обратимыми (упругими) и
необратимыми (пластическими или остаточными), которые в сумме
составляют общие деформации.
Для скальных грунтов характерны упругие деформации.
В глинистых грунтах развиваются как упругие, так и остаточные деформации.
57

58. Зависимость между напряжением (σ) и деформацией (ε) выведена английским физиком Гуком. Закон ГУКА: напряжение (σ), передаваемое

на тело равно относительной
деформации (ε), умноженной на модуль упругости – модуль Юнга (Еy)
σ = ε• Е
Е – модуль общей деформации
Мерой линейных деформаций является отношение изменения размера образца к
первоначальному размеру (например, высоте образца – h). Называется это
отношение относительной деформацией сжатия или растяжения.
Наиболее часто встречаемый вид деформации – сжимаемость, т.е.
способность грунта деформироваться с уменьшением объема.
58

59. Компрессионный прибор

60.

Деформационные свойства
Способность грунта уплотняться под нагрузкой называют сжимаемостью.
Сжимаемость без возможности бокового расширения называют компрессией.
Компрессионная кривая
е
рстр
еo
е1
α
е2
е3
Р1
Р2
Р3
Р4
Р кгс/см2 (МПа)
60

61.

ГОСТ 12248-96
Требует определить:
1. Абсолютную вертикальную деформацию
∆h = ho – h, мм
2. Относительную вертикальную деформацию
ε = ∆h / ho
3. Коэффициент пористости при каждой нагрузке
е = ео – ε (1+ ео)
4. Коэффициент уплотнения (компрессии)
еi - еi+1
m = tgα =
, см2/кгс
σi – σi+1
5. Модуль общей деформации
Е i=
1+ ео
р
ho
h
β
mi
β пески- 0,42; супесь – 0,48; суглинок -0,56; глина
– 0,62
6. Модуль осадки
l = 1000 • ε мм/м
61

62.

Классификация грунтов по сжимаемости
несжимаемые грунты
слабосжимаемые
среднесжимаемые
сильносжимаемые
62
m < 0,001 см2/кгс;
0,001 < m < 0,01 см2/кгс;
0,01 < m < 0,1 см2/кгс;
m > 0,1 см2/кгс.

63.

Прочностные свойства (несущая
способность грунтов)
Прочностные свойства характеризуют поведение пород под
нагрузками, не приводящими к их полному разрушению.
Показатели:
сцепление – С;
угол внутреннего трения – φ;
угол сдвига – ψ;
угол естественного откоса – α;
временное сопротивление сжатию – Rсж.
Потеря прочности происходит под действием горизонтальных
сил (сдвиг грунта), а также и вертикальных сил в виде:
оползания в откосе, выпирания из-под фундамента,
разрыва, образования трещин.
63

64.

τ кгс/см2 (МПа)
tg φ =
τ3
τ2
tg ψ =
φ
τ3 - τ1
σ3 - σ1
τi
σi
τ1
Формула Кулона
с
ψ
σ1
σ2
σ3
σн кгс/см2 (МПа)
τ = tg φ •σн + с
n Σ τ i σi - Σ τ i • Σ σi
tg φ =
n Σ (σi)2 – (Σ σi)2
Σ τ i • Σ σi - Σ σi • Σ τ i σi
τ
c=
h
α
σ
r
n Σ (σi)2 – (Σ σi)2
Для песков:
h
tg α =
r
64

65.

Факторы, влияющие на сопротивление
сдвигу:
1. Гранулометрический состав.
2. Минеральный состав.
3. Влажность.
4. Плотность.
5. Структура.
6. Анизотропность.
7. Химический состав и концентрация воды.
8. Схема испытаний.
65

66.

Схемы испытаний грунтов на сдвиг
(ГОСТ 12248-96)
КД
–
консолидированно-дренируемое
испытание
предварительно уплотненного грунта вертикальной
нагрузкой, проводимое в условиях дренирования путем
повышения срезающей нагрузки с такой скоростью
(медленное испытание), при которой обеспечивается
полная консолидация грунта.
НН – неконсолидированно-недренируемое испытание без
предварительного уплотнения грунта, проводимое в
условиях отсутствия дренирования путем приложения
горизонтальной нагрузки с такой скоростью (быстрое), при
которой обеспечивается неизменность начальных значений
плотности и влажности.
66

67.

Сопротивление грунтов одноосному и трехосному
сжатию
разрушающая сила
Rсж =
площадь воздействия
При разрушении породы по наклонной плоскости:
р
р
р
φ = 2 α – 90о
Рразруш
Рразруш
с=
=
2 tgα
2 tg(φ/2 + 45о)
τ
α
φ
с
2
α
р (σ)
67

68.

Трехосное сжатие
τ
σв1
σб1
σб2
σв2
σ3
68
σв3
Рв
(σв
Рбоковое
σб)

69.

Тема: Реологические
свойства глинистых грунтов
69

70.

Реология – наука о механическом
поведении тел во времени при
действии на них напряжений.
70

71. Виды проявления реологических свойств:

• ползучесть;
• релаксация;
• длительная прочность.
71

72. Ползучесть - процесс изменения деформаций во времени под действием постоянного напряжения. Виды ползучести глинистых грунтов:

• осевая ползучесть грунтов;
• ползучесть грунтов при сдвиге;
• объемная ползучесть грунтов.
72

73. Осевая ползучесть грунтов – развитие в грунте осевых деформаций во времени в условиях одноосного растяжения или сжатия, при

этом объем грунта практически не меняется, а меняется лишь его форма.
Параметры осевой ползучести грунтов:
• скорость;
• угловые пределы текучести;
• вязкость;
• порог ползучести и др.
73

74.

Рис.1. Кривые осевой ползучести озерно-ледниковой
глины естественной структуры (W=24%) при комнатной
температуре при действии растягивающих напряжений
(σ, МПа)
74

75. Ползучесть грунтов при сдвиге – процесс развития деформации сдвига во времени под действием постоянного касательного напряжения

‫ ‬, происходящей при постоянном объеме грунта.
Параметры ползучести при сдвиге:
• условные предельные напряжения сдвига;
• максимальное, минимальное и эффективное
значение вязкости при данном напряжении ‫; ‬
• порог ползучести.
75

76. На рис. 1а представлены результаты трехосных испытаний на ползучесть водонасыщенной озерно-ледниковой глины естественной

структуры
при температуре +2,5°С и разной интенсивности
напряжений σi = σ1 - σ3, где σ1 и σ3 наибольшее и
наименьшее главные напряжения. Из рисунка
видно, что на стадии затухающей ползучести (при
интенсивности напряжений σi <0,06 МПа) она
относительно быстро достигает максимального
значения и затем остается постоянным.
76

77.

Рис.1а. Зависимость порового давления от времени при
испытаниях озерно-ледниковой глины на трехосное сжатие
(W=25%, естественная структура)
77

78. Объемная ползучесть грунтов при компрессии – развитие во времени объемных деформа-ций грунта, возникающих в общем случае под

действием постоянного шарового тензо-ра ,
т.е. средних эффективных напряжений
σm=(σ1+σ2+σ3), где σ1,σ2,σ3 – эффектив-ные
напряжения по главным осям.
78

79. Частный вид объемной ползучести – консолидация Консолидация – развитие во времени затухающих деформаций уплотнения в условиях

компрессии т.е.
при одновременном уплотнении под постоянным
напряжением σz и без возможности бокового
расширения образца.
79

80. Этапы уплотнения (консолидации):

• Мгновенное сжатие – возникновение упругих деформаций
скелета грунта, поровой воды и газа;
• Фильтрационный этап или этап первичной консолидации,
возникает за счет выжимания воды из породы (зависит от kф );
• Завершение уплотнения – вторичная консолидация. Поровое
давление равно 0 и вся нагрузка передается через скелет грунта.
Наблюдается медленное смещение частиц относительно друг
друга.
Продолжительность этапов различна.
80

81. Параметры консолидации грунтов:

• степень консолидации грунта(ө)
на данный момент
времени;
• период первичной консолидации (tф) – время от начала
уплотнения до завершения фильтрационного этапа
консолидации;
• коэффициент консолидации (cv), характеризующий
скорость процесса уплотнения и определяемый по теории
фильтрационной
консолидации
из
соотношения:
cv=kф(1+e)/m∙ρв
где Kф - коэффициент фильтрации; е - коэффициент пористости; m коэффициент сжимаемости; ρв - плотность воды; cv - измеряется в
см2/с.
81

82.

При изучении консолидации определяется
зависимость
относительной
осевой
деформации εz (или относительной осадки
s) образца от времени уплотнения (t) при
данной нагрузке (σz). Общий вид кривой
консолидации s = f (t) при σz = const
показан на рис. 1.
82

83.

Рис 1. Общий вид кривой консолидации водонасыщенного
глинистого грунта (σz = const): 0-1 - мгновенное сжатие; 1-2 –
фильтрационная (первичная) консолидация; 2-3 - вторичная
консолидация.
83

84. В глинистых грунтах с дальним типом коагуляционных контактов (Nа-монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, илы и др.) скорость

консолидации
весьма
мала,
такие
грунты
характеризуются
наименьшими
значениями
коэффициента консолидации сv. Так, для Naмонтмориллонитовых
глин
при
небольшой
концентрации электролита порового раствора (менее
0,01 н.) значения коэффициента сv изменяются от 10-6
по 10-5 см2/с (рис.2).
84

85.

Рис.2. Зависимость коэффициента консолидации
монтмориллонитовых глин от коэффициента пористости:
1 – Ca-монтмориллонит; 2 – природная
монтмориллонитовая глина; 3 - Na-монтмориллонит
85

86. Релаксация напряжений – это падение напряжений во времени при сохранении постоянной деформации Основной параметр релаксации –

время релаксации tr
Время релаксации – время достижения системой
состояния равновесия
86

87. Релаксация напряжений в различных телах происходит по разному (рис.3). В идеально упругих телах,( рис. 3, а), релаксация

напряжений идет бесконечно долго. В идеально вязких телах
(жидкостях) деформация нарастает во времени линейно, а после
разгрузки она не восстанавливается
(рис. 3, б); время
релаксации в таких системах наименьшее. В реальных телах
(включая и грунты) наблюдаются проявления и упругости, и
пластичности. Так, в упруговязком теле деформация развивается во
времени,
но
является
затухающей
и
полностью
восстанавливающейся (рис.3, в);время релаксации напряжений в
таком теле значительно. В упруговязкопластическом теле
деформация также развивается во времени, но носит
незатухающий характер и восстанавливается лишь частично (рис.3,
г); время релаксации напряжений в таком теле незначительно.
87

88.

Рис.3. Развитие деформаций во времени при нагрузке (τ = const)
и разгрузке (τ = 0) в телах:
а – идеально упругом; б - идеально вязком; в – упруговязком; г –
упруговязко-пластическом.
88

89. Длительная прочность – это прочность, сохраняемая грунтом при длительном действии нагрузки Длительная прочность обусловлена

следующими
факторами:
• характером возникновения и изменением во времени
избыточного давления в поровой воде водонасыщенного
грунта;
• ползучестью
скелета
водонасыщенного
и
неводонасыщенного грунтов.
89

90. Долговечность грунта (tp) – это время от момента приложения нагрузки к грунту до момента его разрушения. Чем больше напряжение,

тем меньше долговечность
грунта, и наоборот.
90

91. Определение ползучести проводят при испытании заданной нагрузкой в течение 1000 часов.

91

92. Тема: Особенности свойств генетических типов глинистых грунтов.

92

93.

93

94.

94

95.

95

96. Тема: «Структурные связи»

Структурные связи по своей природе подразделяются на:
1. Связи химической природы:
- ионные;
- ковалентные;
- водородные.
2. Связи физической и физико-химической природы:
- молекулярные;
- электростатические;
- ионно-электростатические (рис.1);
- магнитные;
- капиллярные (рис.2).
96

97.

Пластическая
прочность
φ
+
φ
W
Рис 1 .
Рис 2.
3. Связи биотической природы.
4. Связи механической природы.
97

98.

Контакты между глинистыми частицами
(Ребиндер, 1966 г.)
Фазовые контакты
-частицы
-вода связанная
Цементационные контакты
-цемент
Коагуляционные контакты
98

99.

Переходные контакты
Контакты зацепления
99