Свойства глинистых грунтов


 

 

Все показатели, характеризующие геотехнические свойства грунтов, могут быть подразделены (Н.Н.Маслов) на два класса.

К I классу относятся показатели, дающие прямой ответ при характеристике того или иного свойства грунта, которые могут быть непосредственно использованы для тех или иных расчетов. К числу показателей I класса относятся показатели, прямым образом характеризующие прочность грунтов (в том числе сопротивляемость их сдвигу и деформируемость), вязкость, водопроницаемость, плотность, удельный вес и т.д. Эти показатели должны характеризовать природные свойства грунтов, поэтому они подлежат определению на основе изучения лишь образцов с ненарушенной структурой, т.е. монолитов, взятых из шурфов, шахт, штолен и из скважин, с извлечением их в необходимых случаях из толщи специальными приборами — грунтоносами. Определение показателей I класса в большинстве случаев требует проведения более или менее сложных экспериментов с применением специальной аппаратуры и нередко значительной затратой времени.

Показатели II класса дают лишь общую характеристику породы по ее составу и состоянию.

Характеристики II класса, как правило, определяются на образцах грунта с нарушенной структурой и непосредственно в расчетах не используются.

Показатели I класса нередко называются физико-техническими, а показатели II класса — физическими характеристиками грунтов.

Основными показателями состава дисперсных грунтов являются:

•  петрографический, минералогический и химический составы;

•  гранулометрический состав;

•  плотность частиц грунта;

•  показатели пластичности (для связных грунтов): предел текучести (граница текучести), предел пластичности (граница раскатывания), число пластичности.

К основным показателям состояния дисперсных грунтов относятся:

•  влажность;

•  пористость;

•  коэффициент пористости;

•  удельный вес сухого и влажного грунта;

показатель текучести (для связных грунтов).

Изменение влажности особенно сильно сказывается на свойствах и состоянии глинистых грунтов. Рассмотрим подробнее некоторые из этих свойств.

Набухание и усадка. Грунты, увеличивающиеся в объеме при повышении их влажности, называются набухающими. При набухании происходит подъем поверхности. Набухание происходит за счет увеличения толщины водных пленок, окружающих частицы. При снижении влажности в этих грунтах они уменьшают свой объем и дают усадку.

Относительное набухание определяется в одометре и представляет собой отношение разности высот образца после набухания и в природном состоянии к высоте ненабухающего образца, обжатого природным давлением. У "ненабухающих" грунтов это отношение менее 0,04, сильнонабухающими называются грунты, если оно более 0,12. Давление набухания соответствует давлению, возникающему в грунте в одометре, если ему не дать увеличиваться в объеме.

Подъем поверхности основания из набухающих грунтов определяют методом послойного суммирования. В основании фундамента учитывается противодействие от веса незамоченного грунта. На нижней границе зоны набухания принимается условие, при котором суммарное вертикальное напряжение от веса грунта и внешней нагрузки равно давлению набухания. 

Усадка грунтов. Усадкой называют свойство влажных глинистых грунтов уменьшаться в объеме при высыхании. При усадке грунта он переходит в твердое или полутвердое состояние; в нем появляются трещины, нарушаются связи жесткого структурного сцепления; прочность грунта в толще ослабляется (сс > 0). С пределом усадки увязывают наблюдаемое при высыхании грунта изменение его цвета (посветление).

Размокание. Проба грунта на размокание. Для инженерно-геологической характеристики грунта весьма показательна его способность к размоканию. Сущность испытания заключается в наблюдении за оставшейся частью образца, помещенного в воде на металлической сетке. Для этого испытания существуют специальные приборы, действующие на принципе весов или поплавка.

Липкость. Под липкостью (прилипаемостью) грунтов понимают их способность при определенном содержании воды прилипать к поверхности различных предметов.

Липкость наиболее характерна для связных (глинистых и лёссовых) грунтов. Она появляется при относительно небольших внешних нагрузках, действующих на предмет (1—5 кг/см2), при влажности, близкой к влажности максимальной молекулярной влагоемкости. При дальнейшем увеличении влажности липкость сильно возрастает и, достигнув максимального значения для данного грунта, довольно резко уменьшается. Такая зависимость липкости грунтов от их влажности позволила Е. М. Сергееву, несмотря на явно недостаточную изученность этого явления, высказать следующую гипотезу о физической сущности рассматриваемого свойства.  Поскольку липкость начинает проявляться при влажности несколько ниже величины максимальной молекулярной влагоемкости, можно считать, что прилипание грунтов зависит от содержания в них рыхлосвязанной воды. До достижения влажности начального прилипания связанная вода удерживается со значительной силой вокруг грунтовых частиц и поэтому ее взаимодействие с другими телами крайне слабое. При влажности, превышающей эту величину, грунтовые частицы окружены уже такими оболочками связанной воды, у которых периферийная часть оказывается способной реагировать на воздействие посторонних тел, что обусловливает проявление липкости. Вначале прилипание характеризуется небольшой величиной, потом с увеличением влажности величина липкости резко возрастает и, достигнув определенного предела, столь же резко уменьшается. Это явление можно объяснить тем, что при влажности, большей влажности начального прилипания, но близкой к ней, пленки связанной воды еще с достаточной силой удерживаются вокруг грунтовых частиц. С увеличением толщины пленок создаются условия, при которых вода, обладая еще достаточной вязкостью, по периферийней части оболочек с одинаковой силой взаимодействует с частицами и с соприкасающимися с ними предметами. В этих условиях грунт обладает максимальной липкостью. При дальнейшем увеличении влажности с телами взаимодействует уже такая связанная вода, которая располагается далеко от поверхности грунтовых частиц, слабо испытывает молекулярное притяжение со стороны частиц грунта и вследствие этого имеет небольшую вязкость. При этих условиях величина липкости грунта резко уменьшается.

Следовательно, липкость грунтов обусловливается силами взаимодействия, возникающими между молекулами связанной воды и частицами грунта, с одной стороны, и молекулами воды и поверхностью соприкасающегося  с грунтом  предмета, с другой стороны.

Количественной характеристикой липкости грунтов является усилие (в граммах на квадратный сантиметр), требующееся для отрыва
прилипшего предмета от грунта при различных его влажностях. Наиболее характерными показателями являются влажность начального
прилипания, влажность максимального прилипания и максимальное
значение липкости
. Установлено, что между двумя первыми показателями существует вполне определенная связь: чем выше
влажность начального прилипания, тем   больше   величина   влажности максимального прилипания.

Величина липкости грунтов неодинакова. Максимальное значение липкости достигается у различных грунтов при различной влажности. Значение липкости и характерные значения влажности определяются гранулометрическим и минералогическим составом грунта, составом обменных катионов, состоянием грунта (его влажностью, плотностью, структурой и др.), материалом, из которого состоит прилипающий предмет, характером его поверхности, величиной нагрузки, прижимающей этот предмет к грунту, и рядом других факторов.

Липкость грунтов в значительной степени зависит от их гранулометрического состава. Это объясняется тем, что липкость различных гранулометрических фракций далеко неодинакова. Например, липкость частиц диаметром меньше 1 мкмвыделенных из покровной глины, превышает 400 г/см2, в то время как липкость фракций 1—2, 2—3, 4—5 и 5—10 мкм изменяется в сравнительно узких пределах (от 42 до 81 г/см2).

В работе С. С. Морозова величина липкости глинистых частиц (<1 мкм), выделенных из покровного тяжелого лёссовидного суглинка, достигает 1170 г/см2 при влажности, близкой к пределу раскатывания в жгут (~30%), в то время как липкость самого покровного суглинка не превышала 59,7 г/см2. При влажности в 29,7% глинистые частицы сохраняли  еще липкость в 41,9 г/см2.

Липкость грунтов определяется главным образом содержанием в них глинистых частиц и особенно содержанием коллоидов. Липкость песков и супесей ничтожна по сравнению с липкостью глинистых грунтов, у которых она изменяется от 20—30 до 500—550 г/см2 (наиболее часто 50—200 г/см2)В последних одновременно с ростом содержания глинистых частиц возрастает величина максимальной липкости и соответствующая ей влажность,   а также   влажность начального прилипания. Однако липкость глинистых грунтов зависит от содержания в них глинистых частиц лишь до определенного предела. Исследования В. В. Охотина показывают, что величина липкости смеси из мелкопесчаной и глинистой фракций остается примерно постоянной при содержании глинистых частиц больше 50—60%. Это показывает, что величина липкости тяжелых глин, по-видимому, в большей степени зависит от их минералогического состава, чем от степени дисперсности.

Существенное влияние на липкость грунтов оказывает минералогический состав, поскольку он, с одной стороны, определяет дисперсность грунтов, а с другой, — влияет на образование в них связанной воды. При прочих равных условиях монтмориллонитовые глины должны обладать большей липкостью по сравнению с гидрослюдистыми и каолиновыми глинами. Об этом, в частности, свидетельствуют данные о липкости смесей, составленных из кварцевого песка, бентонита и каолинита. При анализе этих данных следует учитывать, что столь значительная разница в величинах липкости отчасти обусловлена большей дисперсностью бентонита по сравнению с каолинитом.

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



Реклама