Анализ инженерно-геологических условий строительной площадки (стр. 3 )

,

где – слой промерзающего грунта, подверженному морозному пучению.

По степени морозоопасности все пучинистые грунты подразделяются на пять групп, приведенных в таблице 1.16. Принадлежность глинистого грунта к одной из групп оценивается параметром , определяемым по формуле:

, (1)

где – влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующие природной, на границах текучести и раскатывания, д. е; – расчетная критическая влажность, ниже значения которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте, д. е., определяется по графику на рисунке 1.4; М0 – безразмерный коэффициент, численно равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению среднезимней температуры воздуха; определяется так же, как и коэффициент Mt /1/.

Пример 1.4. Определить степень морозоопасности суглинка в г. Загорске Московской области, имеющего следующие водно-физические характеристики: = 0,246; = 0,18; = 0,3; = 1,41 т/м3 и коэффициент M0 = 5,7. По графику (рисунок 1.3) определим критическую влажность . При = 0,3 и = 0,12 = 0,192; по формуле (1) рассчитаем

.

С учетом = 1,41 т/м3, .

Согласно данным таблицы 1.15 исследуемый суглинок является среднепучинистым грунтом.

Таблица 1.16- Классификация грунтов по пучинистости

Наименование грунтов и пределы нормативных значений числа пластичности	Значение параметра Rf х 102 для грунта
Практи-чески непучи-нистого f` < 0,01	Слабопучи-нистого 0,01<f`<0,035	Среднепучи-нистогo 0,035<f`<0,07	Сильнопучи-нистого 0,07< f` <0,12	Чрезмерно пучинистого f`> 0,12
1.Супесь 0,02< < Ip ≤ 0,07 2.Супесь 0,02< < Ip ≤ 0,07 3.Суглинок 0,07< < Ip ≤ 0,17 4.Суглинок 0,07< < Ip ≤ 0,13 5.Суглинок 0,13< < Ip ≤ 0,17 6.Глина Ip > 0,17	< 0,14 < 0,09 < 0,1 < 0,08 < 0,07 < 0,12	0,14 – 0,49 0,09 – 0,3 0,1 – 0,35 0,08 – 0,27 0,07 – 0,23 0,12 – 0,43	0,49 – 0,98 0,3 – 0,6 0,35 – 0,71 0,27 – 0,54 0,23 – 0,46 0,43 – 0,86	0,98 – 1,69 0,6 – 1,03 0,71 – 1,22 0,54 – 0,93 0,46 – 0,79 0,86 - 1,47	>1,69 >1,03 >1,22 >0,93 >0,79 >1,47

П р и м е ч а н и я: 1. Значение рассчитывается по формуле (1), в которой плотность сухого грунта принята равной 1,5 т/м3; при иной плотности грунта расчетное значение умножается на отношение , где – плотность сухого исследуемого грунта, т/м3. 2. В грунтах, перечисленных в позициях 2, 4 и 5, содержание пылеватых частиц размером 0,05 - 0,005 мм составляет более 50 % по массе.

Сильнопучинистыми считаются пылевато-глинистые грунты (суглинки, супеси, глины) с коэффициентом водонасыщения Sr > 0,9, или уровень подземных вод которых расположен у границы сезонного промерзания грунта.

Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, относятся к непучинистым грунтам при любом положении уровня подземных вод; при водонасыщении в условиях замкнутого объема эти грунты относятся к группе слабопучинистых.

Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей при определяются через показатель дисперсности . Эти грунты относятся к непучинистым при , к пучинистым - при . Для слабопучинистых грунтов показатель изменяется от 1 до 5 ().

Рисунок 1.4 - Значение критической влажности

в зависимости от числа пластичности

и влажности на границе текучести грунта

Значение определяется по формуле:

, (2)

где – коэффициент, равный 1,85 х 10-4 см2; – коэффициент пористости; – средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле:

, (3)

где – процентное содержание отдельных фракций грунта, доли единицы; – средний диаметр частиц отдельных фракций, см.

Диаметры отдельных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1,4. За расчетный диаметр последней тонкой фракции принимается ее максимальный размер, деленный на коэффициент 1,4.

Пример 1.5. Определить степень морозоопасности природного кварцевого песка из города Надыма с коэффициентом пористости , гранулометрическим составом, приведенным в таблице 1.17.

В соответствии с рекомендациями определим средний размер частиц отдельных фракций:

мм;

мм;

мм.

По формуле (3) рассчитаем средний диаметр песка

см.

Показатель дисперсности согласно формуле (2) составит:

при ;

при .

По расчету надымский песок относится к слабопучинистым грунтам , что подтверждает опытные данные .

Таблица 1.17 – Исходные данные к примеру 1.5

Размер частиц отдельных фракций, мм	< 0,1	< 0,05	< 0,005
Количество частиц, %	10	3	0

2 СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ

2.1. Крупнообломочные грунты

Строительные свойства и устойчивость этих грунтов зависят от условий образования, характера залегания пласта, минералогического состава, степени выветрелости и окатанности, плотности сложения и материала заполнения пор.

Чем выше коэффициент выветрелости, тем меньше прочность крупнообломочных грунтов; в них будут возникать деформации не только от перемещения, но и от разрушения частиц. Грунты, образовавшиеся из твердых кристаллических пород, обладают лучшими свойствами, чем грунты из осадочных пород. С увеличением окатанности частиц снижаются их прочность и устойчивость.

Наилучшими свойствами обладают грунты с песчаными заполнителями. Примеси пылеватых и глинистых частиц ухудшают свойства заполнителей. Большое количество глинистых частиц в заполнителе придает крупнообломочным грунтам некоторые свойства глинистых грунтов.

При общей оценке крупнообломочных грунтов следует учитывать условия их залегания. Наклонное залегание пластов и встречающиеся в их толще прослойки (особенно глинистые) снижают общую прочность и устойчивость основания. При наклонном залегании по прослойкам могут образовываться поверхности скольжения.

2.2 Песчаные грунты

Строительные свойства песков зависят от плотности сложения, водонасыщения, формы, однородности, размеров и минералогического состава частиц. С увеличением содержания крупных частиц и плотности сложения их свойства ухудшаются. Деформации в песках после окончания нагружения затухают тем быстрее, чем крупнее песок.

В общем случае гравелистые, крупные и средней крупности пески плотной и средней плотности сложения малосжимаемы, хорошо сопротивляются сдвигу, фундаменты на них претерпевают незначительные деформации. При этом, чем однороднее пески, тем меньше они сжимаются и тем выше их сопротивление сдвигу.

Сопротивление сдвигу горных песков с угловатыми частицами за счет большего зацепления выше, чем у песков с окатанными частицами. Кварцевые пески прочнее и менее сжимаемы, чем другие пески. Примесь к пескам частиц слюды увеличивает их сжимаемость и уменьшает водопроницаемость. С увеличением содержания слюды сжимаемость песка приближается к сжимаемости глин.

Рыхлые пески при нагружении дают большую осадку и недостаточно устойчивы, применение их в качестве основания должны быть специально обосновано.

Насыщение водой гравелистых и крупных песков практически не оказывает влияния на их прочность, прочность же мелких и пылеватых песков снижается по мере заполнения пор водой, особенно при содержании в песках некоторого количества глинистых и органических коллоидных частиц, равномерно распределенных в их толще.

2.3 Пылевато-глинистые грунты

Строительные свойства пылевато-глинистых грунтов во многом зависят от особенностей их происхождения, условий формирования, влажности, гранулометрического и минералогического состава частиц. Эти грунты кроме песчаных и глинистых частиц содержат в том или ином количестве частицы глинистых минералов каолинитовых, иллитовых (гидрослюдовых), монтмориллонитовых групп, которые по-разному взаимодействуют с водой.

Наиболее распространены пылевато-глинистые грунты с каолинитовой группой минералов. При увлажнении они практически не набухают, но изменяется их консистенция. Повышение влажности этих грунтов происходит за счет увеличения толщины пленки связанной воды.

Глинистые грунты с преобладанием минералов монтмориллонитовых групп наиболее активно взаимодействуют с водой. Минералы этой группы имеют подвижную решетку. Вода, проникая в частицы, расклинивает их, что приводит к набуханию грунта. Такие грунты называются набухающими. На практике по цвету их часто называют «шоколадные глины».

К набухающим при замачивании относятся только те глинистые грунты, которые набухают под давлением. Набухающие грунты являются надежным основанием только в естественном состоянии. При замачивании они увеличиваются в объеме, в результате чего возникают деформации в зданиях и сооружениях. Характерной особенностью набухающих грунтов является большое число пластичности и естественная влажность, близкая к границе раскатывания. При строительстве на них требуется проведение специальных мероприятий.

Глинистые минералы иллитовой группы обладают незначительной набухаемостью.

Прочность глинистых грунтов с вводно-коллоидными связями в первую очередь зависит от их влажности и консистенции. С увеличением влажности увеличивается их сжимаемость, уменьшается сопротивление сдвигу, ухудшаются строительные свойства. При проектировании следует принимать показатели с учетом возможного изменения влажности грунтов основания. Плотность глинистых грунтов косвенно определяют по коэффициенту пористости e. Чем меньше коэффициент пористости, тем меньше в грунте пор, поэтому грунт меньше сжимается под нагрузкой, его строительные свойства лучше.

В твердом состоянии глинистые грунты малосжимаемы и являются надежным основанием. В пластичном состоянии они относятся к среднесжимаемым грунтам и могут быть использованы в качестве оснований, если осадка возведенных на них сооружений не превысит допустимую.

Глинистые грунты в текучем состоянии, а при давлениях более 0,15 МПа и в текучепластичном относятся к сильносжимаемым. Они могут выдавливаться из-под фундамента, и использование их в основании сооружений должно быть технически обосновано.

Деформации глинистых грунтов отстают во времени от приложения нагрузки, протекают годами и даже десятилетиями.

Прочность и строительные свойства глинистых грунтов зависят от прочности, условий происхождения и структурных связей между частицами. Если структурные связи разрушаются от внутренних или внешних воздействий и, как правило, не восстанавливаются, то такие грунты следует приравнивать к грунтам с водно-коллоидными связями.

Вообще, чем древнее грунт и чем больше он уплотнен, тем больше его структурные связи, плотность сложения и прочность. Структурно-неустойчивые грунты (набухающие, древние и современные илы, озерно-ледниковые ленточные глины, лессы и лессовидные грунты, а также все виды заторфованных грунтов) дополнительно оцениваются по нормативным показателям. Особенностью структурно-неустойчивых грунтов является резкое уменьшение или полная потеря прочности при разрушении структурных связей. Возможность использования таких грунтов в качестве основания устанавливается специально поставленными исследованиями. При строительстве на них необходимо предусматривать сохранение природной структурной прочности.

3 ОЦЕНКА ГРУНТОВОЙ ТОЛЩИ БУДУЩЕГО ОСНОВАНИЯ

Проектирование оснований и фундаментов начинается с изучения и общей оценки всей толщи и отдельных входящих в нее пластов грунта.

По условиям напластования грунтов, основания обычно подразделяют на однородные, сжимаемая толща которых включает только один грунт, и слоистые с различными по составу, свойствам и сжимаемости грунтами, с согласным и несогласным их залеганием. К слоистым с согласным залеганием относят основания, у которых простирание отдельных слоев близко к горизонтальному (уклон менее 1 – 2 %), а к слоистым с несогласным залеганием – основания, пласты которых залегают невыдержанно, имеют наклон, выклиниваются и пр. Большой уклон пластов наблюдается при косогорном рельефе, особенно если они повторяют очертания рельефа. На таких площадках возможна потеря устойчивости грунтов вместе с сооружением.

На практике грунты основания условно разделяют на прочные и слабые.

К прочным относят грунты, которые могут служить естественным основанием сооружений и обеспечивают их нормальную эксплуатацию: крупнообломочные грунты, плотные и средней плотности пески, твердые и пластичные пылевато-глинистые грунты. К слабым относят грунты, которые дают под нагрузкой большие деформации, неустойчивы и не могут служить основаниями сооружений: рыхлые пески, текучие пылевато-глинистые грунты, некоторые структурно-неустойчивые грунты. Иногда к слабым относят грунты, у которых модуль деформации Е≤5 МПа.

Наиболее надежными являются однородные основания и слоистые с согласно залегающими малосжимаемыми грунтами. Из слоистых оснований предпочтительнее те, у которых сжимаемость грунтов с глубиной увеличивается. Основания, в которых сжимаемость с глубиной уменьшается, менее благоприятны для возведения зданий, особенно зданий и сооружений на сплошных плитах и с различными по площади и глубине заложения фундаментами.

Особо сложные условия проектирования и устройства фундаментов возникают в тех случаях, когда в толще оснований залегают слабые грунты. Рекомендовать для них конкретные решения практически невозможно. Необходимо индивидуальное проектирование с учетом особенностей напластований грунтов основания, глубины, мощности, условий залегания слабых грунтов, их прочностных, деформационных и других свойств. Следует также учитывать конструктивные и эксплутационные особенности зданий и сооружений, их чувствительность к неравномерным осадкам. Кроме того, нужен полный прогноз всех возможных изменений грунтовых условий под влиянием природных и антропогенных воздействий. Если не учесть все эти особенности и не принять надлежащих мер, в процессе возведения и эксплуатации зданий и сооружений могут возникнуть недопустимые деформации и даже аварии.

Предварительную оценку общей сжимаемости основания в пределах площади здания или сооружения можно провести в результате анализа и сопоставления модулей деформации Е или коэффициентов относительной сжимаемости mυ всех слоев по глубине заложения и простиранию.

Следует отметить, что чем больше сжимаемость грунтов, тем больше их абсолютные и, как правило, относительные осадки.

Пример 3.1. Оценить инженерно-геологические условия строительной площадки. Геологический профиль площадки представлен на рис. 3.1; данные о грунтах приведены в таблице 3.1*.

Решение. По классификационным признакам, приведенным в /2/, дадим характеристику отдельных слоев грунтов, слагающих площадку.

Образец 1. Грунт отобран из скважины № 1 с глубины 1,3 м.

При числе пластичности и при содержании частиц крупнее 2 мм менее 25 % (4,38 + 9,18 = 13,55 %) грунт относится к пескам.

По гранулометрическому составу (таблица 1.2): содержание частиц крупнее 0,5 мм менее 50 % (13,56 +25,96 = 39,52 %), крупнее 0,25 мм более 50 % (39,52 + 18,69 = 58,21%) – это песок средней крупности.

Для определения степени неоднородности гранулометрического состава последовательно суммируем содержание частиц, начиная с самых мелких:

Крупность частиц, мм	0,005	0,01	0,05	0,1	0,25	0,5	2	10	10
Содержание частиц, %	1,22	4,64	9,76	17,44	41,79	60,48	86,44	95,62	100

По кривой однородности (рисунок 1.3) находим значения d60 = 0,49 мм и d10 = 0,055 мм, что соответствует коэффициенту неоднородности , т. е. песок неоднородный.

По плотности сложения: при коэффициенте пористости (0,6 ≤ e ≤ 0,8) грунт - песок средней плотности.

По относительному содержанию органических веществ: Iom = 0 - грунт без примесей органических веществ.

Рисунок 3.1. Инженерно-геологический разрез к примеру 3.1

1 – растительный слой; 2 – песок средней крупности;

3 – песок пылеватый; 4 – супесь; 5 – глина

(черными квадратами обозначены места отбора образцов)

По насыщению водой – коэффициенту водонасыщения () грунт – песок насыщенный водой.

Вывод: рассматриваемый грунт – песок средней крупности, неоднородный, средней плотности, насыщенный водой.

Образец 2. Грунт отобран из скважины № 1 с глубины 3,5 м.

При числе пластичности и при отсутствии частиц крупнее 2 мм грунт является песком.

По гранулометрическому составу: частиц крупнее 0,5 мм содержится 1,8 % , что менее 50 %, крупнее 0,25 мм – 16,07 % , что менее 50%, крупнее 0,1 мм – 50,36 % , что менее 75 %; таким образом, грунт следует отнести к песку пылеватому.