est G I О Б Е Л О Р У С С К И Й Н А Ц И О Н А Л Ь Н Ы Й Т Е Х Н И Ч Е С К И Й У Н И В Е Р С И Т Е Т Ю.Г.Бабаскин ДОРОЖНОЕ ГРУНТОВЕДЕНИЕ И МЕХАНИКА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДОРОГ М и н с к 2 0 0 2 БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Ю.Г.Бабаскин ДОРОЖНОЕ ГРУНТОВЕДЕНИЕ И МЕХАНИКА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДОРОГ Курс лекций Рекомендовано Редакционно-издательским советом Белорусского национального технического университета М и н с к 2 0 0 2 УДК 625.7311625.7312.Ш.131.4(075.8) ББЮ393Н- Б 12 Рецензенты: Кафедра «Проектирование дорог» Белорусского национального технического университета; д-р техн. наук, проф. Н.П.Вырко^ Бабаскин Ю.Г. Б 12 Дорожное грунтоведение и механика земляного полоша дорог: Курс лекций / Ю.Г.Бабаскин. - Ми.: БИТУ, 2002. - 197 с. ISBN 985-6529-62-Х. Цель данного издания - оказание методической помощи студен- там специальностей Я0 03 01 - «Автомобильные дороги», J70 03 02 - «Мосты, транспорчные тоннели и метрополитены» при изучении дис- циплины «Дорожное грунтоведение и механика земляного пололи дорог». Курс лекций содержит теоретический материал но региональ- ной инженерной геологии, общему и региональному грунтоведению, механике грунтов и технической мелиорации и предполагает после- довательное изучение вопросов, начиная от строения земной коры, инженерно-геологических особенностей территории Беларуси, харак- теристик минералов и основных видов горных пород, образующих грунты, эндогенных и экзогенных процессов и явлений, влияющих на формирование антропогенового покрова, физических и механических свойств ipywroB и заканчивая изучением инженерных задач, связан- ных с механикой земляного полотна дорог и укреплением грунтов в шгженерных целях. Тематика пособия и количество предстаатенных тем соответствуют разработанной учебной программе по дисциплине «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог». УДК 625.731+625.731.2:624.131.4(075.8) ББК 39.311 ISBN 985-6529-62-Х © Бабаскин ЮГ., 2()02 В в е д е н и е Представленный материал предназначен для изучения в высших учебных заведениях по специальностям J70 03 01 - «Автомобиль- ные дороги», J70 03 02 - «Мосты, транспортные тоннели и метро- политены». Основная цель изучаемой дисциплины заключается в ознаком- лении с геологическими условиями района возведения сооружения, свойствами и категориями грунтов, особенностями их использова- ния в дорожном и транспортном строительстве, основными вопро- сами механики грунтов. Вопросы, связанные с изучением грунтов и рассмотрением их строительных свойств, изложены в определенной последовательно- сти для наилучшего усвоения этой темы студентами. Прежде чем рассмотреть понятие «грунт», необходимо изучить составляющие компоненты всех горных пород - минералы с их свойствами, структурой и особенностями. Минералы образуют гор- ные породы - более крупные соединения, у каждого из которых - свое происхождение и возраст. С породами происходят эндогенные и эгзогенные процессы, постгенетические преобразования. Только после рассмотрения вышеобозначенных вопросов можно присту- пить к изучению грунта как строительного материала. Поэтому раз- делы грунтоведения включают в себя подробное описание строи- тельных свойств грунтов, их физических характеристик, классифи- кации, показателей консистенции, наличия и форм воды в них, рас- пространенности в региональных условиях Беларуси и т.д. Следующий этап - решение инженерных задач, вытекающих из основных закономерностей механики грунтов. Строитель-дорожник должен иметь знания о прочности грунта, его деформируемости, возникновении и распределении напряжений в грунтовой толще под влиянием собственного веса и внешней нагрузки, процессах и принципах уплотнения однородных и слоистых грунтовых конст- рукций, реологических свойствах. Дисциплина «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог» включает два основных раздела: инженерную гео- логию и механику грунтов. При решении вопросов, связанных со строительством дорожных сооружений, необходимо также знать особенности горных пород. До начала строительства на стадии выбора наилучшего варианта участка 3 и объективной оценки конкурирующих вариантов необходим широ. кий круг сведений о геологическом строении территории, геологиче. ских процессах, которые уже протекают или могут возникнуть в ре. зультате строительства, гидрогеологических условиях и т.д. Эти вопросы и изучает инженерная геология - наука о геологи- ческой среде, ее рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Под геологической средой следует понимать любые горные по- роды и почвы, которые слагают верхнюю часть литосферы, рас- сматриваемые как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и воз- никновению новых антропогеновых процессов, изменяющих инже- нерно-геологические условия определенной территории. Антропогеновьши процессами называются геологические про- цессы, возникшие в результате деятельности человека. Инженерная геология как наука включает в себя следующие ос- новные разделы: региональная инженерная геология, инженерная геодинамика, грунтоведение. Региональная инженерная геология изучает: типизацию и районирование территорий; щиты и плиты древних и молодых платформ. Инженерная геодинамика изучает: факторы, определяющие развитие геологических и антропогено- вых процессов; эндогенные процессы и вызванные ими явления; экзогенные процессы климатического характера, процессы вывет- ривания, криогенные и посткриогенные, а также эоловые процессы; экзогенные процессы водного характера, явления растворения, суффозии, размывания, заболачивания; гравитационные или склоновые процессы, а также обвалы, осы- пи, оползни, снежные лавины. Одним из основных разделов инженерной геологии является Грунтоведение, которое, в свою очередь, подразделяется на три подраздела: общее грунтоведение, региональное грунтоведение, техническая мелиорация грунтов. В соответствии с инженерно-геологической классификацией предложенной Е.М.Сергеевым, В.А.Прсклонским, В.Ф.Бабковым- 4 В.М.Безруком и другими исследователями, грунтами называют гор- ные породы различного состава, свойств и происхождения, слагаю- щие верхние слои земной коры, преимущественно затронутые про- цессами выветривания, а в самой верхней части - почвообразования. Из грунтов сооружают плотины и земляное полотно автомо- бильных и железных дорог. Грунтовое основание воспринимает на- грузку инженерных сооружений. Грунт является средой, в которой располагаются тоннели, трубопроводы и кабели. Общее грунтоведение изучает: особенности состава и строения грунтов и почв; наличие воды в грунтах; структурные связи в грунтах; грунты как многокомпонентные системы; физические, физико-химические и физико-механические свойст- ва грунтов; особенности магматических, метаморфических и осадочных гор- ных пород; дисперсные и искусственные грунты. Региональное грунтоведение рассматривает специфику залега- ния, свойств и особенностей грунтов, распространенных на изучае- мой территории или в регионе строительства транспортного объекта. Техническая мелиорация грунтов решает вопросы искусствен- ного улучшения грунтов, изменения их свойств в соответствии с требованиями различных видов строительства. Дорожное грунтоведение - наука, изучающая происхождение, состав, строение и свойства грунтов с точки зрения использования их в дорожном строительстве, а также в качестве основания при сооружении мостов и труб на автомобильных дорогах. Механика грунтов - научная дисциплина, изучающая напря- женно-деформированное состояние, прочность и устойчивость грунтов. В механике грунтов используются решения ряда задач тео- рии упругости, пластичности, ползучести и фильтрации. В данном издании в соответствии с вышеуказанной системати- зацией представлены в кратком виде все разделы, которые необхо- димо усвоить при сооружении земляного полотна автомобильных дорог в региональных условиях Республики Беларусь. Представ- ленный материал ориентирован на программу курса по специально- стям J70 03 01, J70 03 02 и соответствует требованиям-к изучению 5 дисциплин «Дорожное грунтоведение и механика земляного полот- на дорог» и «Инженерная геология». Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Строи- тельство и эксплуатация дорог» д-ру техн. наук, проф. И.И.Леоно- вичу, директору инженерно-консалтингового центра республикан- ского унитарного предприятия «БелдорНИИ» д-ру техн. наук, проф. В.Н.Яромко за методическую помощь в подготовке издания и кри- тические замечания, а также рецензентам - проф., д-ру техн. наук Н.П.Вырко и доц., канд. техн. наук И.К.Яцевичу за советы по улуч- шению содержания рукописи. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ 1.1. Краткая историческая справка Впервые довольно точно измерил величину земного шара древ- негреческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский (ок. 276-194 г. до н. э.) из египетского города Александрия. Он сле- дом за Аристотелем считал, что Земля имеет форму шара. Эратосфен сделал открытие, что в день летнего солнцестояния в Асуане, расположенном южнее Александрии, солнце освещало в полдень дно глубоких колодцев. В тот же полдень в Александрии, по измерениям Эратосфена, Солнце отстояло от зенита на 7° 12', что составляет 1/50 долю земной окружности. Отсюда Эратосфен за- ключил, что такую же долю окружности Земли составляет расстоя- ние от Асуаны до Александрии. Измерить это расстояние в те вре- мена можно было только по числу дней, которое тратили караваны верблюдов на переход между этими городами. Оно составляло 5000 греческих стадий - т.е. приблизительно 160 км . Следовательно, вся окружность Земли в 50 раз больше и должна составлять 40 000 км, что оказалось очень близким к современным расчетам. О внутреннем строении Земли впервые высказал предположение греческий философ Эмпедокл (V век до н. э.), ссылаясь на процес- сы, происходящие на действующих вулканах. Эмпедокл изучал вулкан Этна, по склонам которого текли мощные потоки лавы. Он предпринял отчаянно смелое путешествие вглубь кратера и погиб в жерле вулкана. 6 1.2. Современные сведения о строении земного шара Экваториальный радиус земного шара составляет 6 378,245 км, полярный - 6 356,863 км, т.е. Земля сплюснута на 42,764 км. Расположение грунтовой толщи выветривания в общем строении Земли, по М.М.Филатову, показано на рис. 1.1 [2]. Земля имеет сложную форму геоида, центрально-симметричное строение и состоит из нескольких геосфер. Прежде всего, ее делят на три части: тонкую наружную кору; огромную мантию, зани- мающую 5/6 всей Земли по объему и 2/3 по массе; ядро в середине. Материковая кора состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Мощность осадочного слоя может достигать 15 км и больше; в некоторых местах этого слоя нет совсем. Гранитный слой назван так потому, что скорость сейсмических волн в нем такая же, как в граните. Он состоит из разных метаморфических и магматиче- ских пород (преимущественно гранитов и гнейсов) кристалличе- ского сложения. Под ним залегает базальтовый слой, названный так в связи со скоростью сейсмических волн. Действительный состав этого слоя неизвестен. Слой земной коры от поверхности до мантии называют литосферой. Если представить Землю в виде шара диаметром 4 м, то земная кора представляла бы оболочку толщиной около 1 см. Лшеиняя часть гото- вой T0MU (М 2.м) штовой тотш ЛТМОСФвРЯ ГцАРосФеРй Гранитная оболочки Базттот оШочы Летоттт оболочка Лронехштняя обоюш (ддвление-35мюшм темптам-5000*с) Рис. 1.1. Схема строения Земли но М.М.Филатову 7 Переходную зону от ядра к земной коре составляет очень мощная оболочка Земли - мантия, которая делится на верхнюю оболочку - перидотитовую и нижнюю - промежуточную. Между ними нет рез- кой границы. Условно она проходит на глубине 900... 1200 км. Ядро занимает 16% земного шара по объему и 31,5% по массе. Его делят на две части: внешнее и внутреннее ядро (субъядро). По- перечные волны сквозь внешнее ядро не проходят, следовательно, оно жидкое. В субъядре скорость сейсмических волн постоянная, поэтому считают, что оно твердое. Диаметр ядра - около 2500 км. Давление в нем достигает 3,5 млн. атм. Температура ядра 5000°С, а температура вытекающей из вулкана магмы - всего 1200... 1400°С. Плотность земного шара, равная 5,5, значительно превышает плотность горных пород (2,5...2,8), слагающих земную пору. При этом условии плотность центральной части должна равняться 12, т.е. быть близкой к плотности железа и никеля (Fe, Ni). 1.3. Геологическая хронология Геохронология - это подразделение геологического времени на условные отрезки, имеющие определенные названия (эра, период, эпоха, век), и расположение их в определенном порядке [3]. Возраст Земли оценивается в 4,5...5,0 млрд. лет. Возраст первого материка приблизительно равен 4 млрд. лет. Жизнь на Земле заро- дилась примерно 2,3 млрд. лет назад. Среднегодовая температура поверхности земного шара тогда составляла 72°С. В эпоху господ- ства пресмыкающихся (около 200 млн. лет назад) она была близка к 20°С. В настоящее время среднегодовая температура Земного шара равна 14,8°С. За последние 500 тыс. лет земной шар испытал четыре периода оледенения. Последний раз ледник ушел 16 тыс. лет назад; его ос- татки мы видим в Гренландии и Антарктиде. Таяние льдов на этих материках ежегодно повышает уровень мирового океана на 2 мм. Геологическое время Земли подразделяется на пять зр\ архей- скую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Архейская эра - древнейшая эра в геологической истории Земли продолжавшаяся около 1 млрд. лет. Это - время формирования зем- ной коры, появления на ней первой воды, накопления первых мощ- 8 ных толщ осадочных пород. На геологических картах архейская эра имеет обозначение AR. Протерозойская эра (PR) продолжалась 600...800 млн. лет. Для нее характерен теплый тропический климат, обширное распростра- нение моря, где происходило накопление известняков. Продолжа- лось наращивание земной коры; на ее поверхности со временем на- капливались мощные вулканические и осадочные толщи. Палеозойская эра (PZ) продолжалась 300...350 млн. лет. Ее под- разделяют на периоды: 1) кембрийский (К); 2) ордовикский (О); 3) силурийский (S); 4) девонский (Д)\ 5) каменноугольный (С); 6) пермский (Р). При палеозойской эре проявились две мощные складчатости: ка- ледонская и герцинская. Климат палеозоя отличался, в основном, тропическими и субтропическими режимами, которые закончились резким похолоданием в пермский период. Породы палеозоя харак- теризуются, в основном, известняками, мергелями и доломитами. На континентальных платформах они представлены глинами, пес- ками и рыхлыми песчаниками. В силурийский период произошло мощное горообразование. Оно сопровождалось поднятием материков и обмелением морей. Обра- зовалась каледонская складчатость. В девонском периоде произошло резкое сокращение морских бассейнов и увеличилась поверхность суши. В каменноугольный период началось наступление моря на сушу; древние каледонские горы сгладились. Большая часть Европейской равнины оказалась затопленной морем; образовались огромные за- болоченные низины. Свое название период получил из-за обилия в его отложениях угля. Мезозойская эра (MZ) продолжалась 50...250 млн. лет. Она вклю- чает три периода: 1) триасовый (.Т); 2) юрский (J); 3) меловой (К). Это была эпоха относительного тектонического покоя, характеризовав- шаяся теплым однообразным климатом. Среди континентальных отложений преобладали известняки, глинистые сланцы, озерные мергели и глинистые известняки. В течение триасового периода происходило чередование сухих и влажных периодов, интенсивно протекала вулканическая деятель- ность. 9 Юрский период - время бурного развития такой группы пресмы- кающихся, как динозавры, которые достигали 25 м в длину и массы свыше 60 т. В конце мезозойской эры произошло мощное горообразование; размеры материков несколько увеличились. Кайнозойская эра (КZ) - поздняя геологическая эра, которая на- чалась примерно 0,25 млрд. лет назад и продолжается до современ- ности. Она подразделяется на три периода: 1) палеогеновый (Pg), 2) неогеновый (N); 3) четвертичный (Q), или антропоген (А). В эту эпоху главным определяющим событием было образование молодых океанов - Атлантического, Индийского, Северного Ледови- того; интенсивно проявилась альпийская складчатость, с которой связано рождение Альп, Кавказа, Крыма и других горных систем. Палеоген отличался теплым, тропическим климатом, который при неогене сменился похолоданием. В настоящее время большие пространства суши Арктики и Антарктики покрыты мощной тол- щей льда, достигающей, например, в Гренландии до 3 км. За по- следний миллиард лет на Земле было четыре эпохи, когда лед зани- мал большую поверхность земного шара. В четвертом из этих пе- риодов оледенения живем мы. За последний миллион лет, как минимум, девять раз ледяные щиты надвигались на Северную Америку и Европу. Их толщина достигала 2 км. Таким образом, в ходе эволюции земной коры возрастала ее не- однородность, что определило различия между океаническими и континентальными полушариями Земли (при этом проявился наи- более общий закон развития нашей планеты - усложнение вещест- венного состава и структуры земной коры), усиливалась дифферен- циация и разновременность протекания глубинных процессов в хо- де геологической истории. Вопросы для самопроверки 1. Какова плотность горных пород земной коры? 2. Какова среднегодовая температура земного шара в настоящее время? 3. На сколько градусов происходит падение температуры магмы при ее поднятии от ядра до поверхности? 10 4. В какую эру входит четвертичный период? 5. Какова толщина внешнего слоя земной коры, сложенного оса- дочными породами? 6. Из каких периодов состоит палеозойская эра? 7. Каков полярный диаметр земного шара? 8. В каком геохронологическом периоде палеозойской эры про- изошло мощное горообразование? 9. В каком периоде произошло образование заболоченных низин? 10. Как называется период палеозойской эры, при котором на- ступило резкое похолодание? 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕРРИТОРИИ БЕЛАРУСИ 2.1. Инженерно-геологическое районирование территорий Инженерно-геологические условия оказываются одинаковыми на тех территориях, которые имеют одну и ту же или близкую историю геологического развития и находятся в одних и тех же природно- климатических зонах. Такие условия называются региональными. Под зональными понимают закономерности развития геологи- ческих процессов, которые связаны с климатом и, в первую оче- редь, с тепло- и влагообменом. Под типизацией территорий понимается выделение их отдель- ных частей, соответствующих определенным, заранее установлен- ным типам регионов, характеризующимся наиболее общими при- знаками. Всего на Земле выделено примерно 80 инженерно-геоло- гических типов территорий, для каждого из которых предусмат- ривается единая методика изучения, единые инструкции по изыска- ниям, строительные нормы и другие нормативные документы. В качестве самостоятельных инженерно-геологических единиц выделяют [4]: 1) регионы; 2) области; 3) районы; 4) подрайоны. Регионы - это территории, выделяемые по геоструктурным при- знакам в результате анализа истории геологического развития дан- ной территории за все доступное для нас время. 11 Области - это части регионов, имевшие различное развитие в новейшее время. Районы - это территории, на которых отмечается однообразие геологического строения, выражающееся в одинаковой последова- тельности залегания горных пород, мощности и петрографическом составе. В пределах одного района могут быть выделены инженерно- геологические подрайоны. Например, если часть района располо- жена в зоне вечной мерзлоты, она выделяется в подрайон. Кроме того, в пределах подрайона могут быть выделены участки, в преде- лах которых могут быть выделены элементы. 2.2. Щиты и плиты древних и молодых платформ Платформы - это области земной коры, которым свойственна малая интенсивность тектонических движений и магматических проявлений, - например, Русская и Сибирская платформы. Для платформы характерны: синеклизы, антеклизы и грабены. Синеклиза - очень пологий прогиб земной коры в пределах платформы, имеющий в плане округлые или овальные очертания. Антеклиза - обширное, пологое поднятие земной коры, т.е. противоположность синеклизе. Грабен - участок земной коры, опущенный по крутым, нередко вертикальным разрывам относительно окружающих участков. Горст - выступ, ограниченный крутыми разрывами - сбросами. Щиты - участки антеклиз, испытывающие длительное подня- тие; лишены покрова осадочных образований, а на поверхности за- легают древнейшие метаморфические породы. Щиты древних платформ (Балтийский, Украинский и др.) яв- ляются областями длительного поднятия и размыва. Они сложены преимущественно прочными породами с кристаллизационными связями, такими как гнейсы, граниты, кристаллические сланцы, кварциты, слагающие формации докембрийского возраста. Имеют осадочный чехол небольшой мощности. Щиты молодых платформ (Казахстанский) отличаются от древ- них тем, что их фундамент сложен карбонатными формациями. Плиты древних платформ - области с платформенным чехлом мощностью от сотен метров до нескольких километров. Породы 12 слагающие эту мощную толщу, относятся к нескольким структур- ным этажам. Геологическое строение верхних горизонтов осадоч- ной толщи зависит от структурных форм. В антеклизах преоблада- ют плотные глины, алевролиты, песчаники; синеклизы сложены мезозойскими песчано-глинистыми отложениями; примером древ- них плит служат плиты Русской платформы: Воронежская антекли- за, Московская синеклиза и др. Плиты молодых платформ характеризуются тем, что верхнюю часть их разреза слагают кайнозойские и, в первую очередь, четвер- тичные отложения значительной мощности. Их основной особенно- стью является незавершенность процессов литогенеза: породы не имеют кристаллизационных структурных связей. Пески обладают высокой пористостью, глины - пластичные и, как правило, набу- хающие. Типичным представителем плиты молодой платформы яв- ляется Западная Сибирь. Инженерно-геологическое районирование территории стран СНГ базируется на тектонической схеме, составленной А.А.Богдановым (1964 г.) и предусматривающей выделение следующих структурных единиц (рис. 2.1): 1. Древние докембрийские платформы (Русская и Сибирская). 2. Молодые эпипалеозойские плиты (Западно-Сибирская и Ту- ранская). 3. Регионы байкальской складчатости (Байкальская, Таймырская). 4. Регионы каледонской складчатости (Алтае-Саянская, Западно- Казахстанская) . 5. Регионы герцинской складчатости (Уральская, Восточно- Казахстанская, Тянь-Шаньская). 6. Регионы мезозойской складчатости (Верхоянская и др.). 7. Регионы альпийской складчатости юга (Карпатская, Крым- ская, Кавказская и др.). 8. Регионы альпийской складчатости востока (Камчатская, Саха- линская). Таким образом, мы можем сделать заключение, что современные инженерно-геологические условия формировались на протяжении всей истории геологического развития регионов. Причем большое влияние на их развитие оказывали тектонические движения, их ха- рактер, направленность, интенсивность и постоянство. 13 14 2.3. Кристаллический фундамент Республики Беларусь Республика Беларусь расположена на западе Восточно-Европей- ской (Русской) платформы, и только на Юге в ее пределы входит северная часть Украинского кристаллического щита. Кристаллический фундамент залегает на глубине от нескольких метров до 6 километров и более. Открытые породы встречаются только на крайнем юге - в деревне Глушкевичи Гомельской области. На кристаллическом фундаменте Республики Беларусь выделя- ются следующие структурные элементы: 1) Белорусская и Воронежская антеклизы; 2) Припятский прогиб; 3) Подлясско-Брестская и Оршанская впадины; 4) Полесская, Латвийская, Жлобинская и Брагинско-Лоевская седловины. Центральную и западную части региона занимает Белорусская антеклиза (рис. 2.2) - тектоническая структура с высоким (до +87 м) залеганием фундамента. Простирание свода этой структуры состав- ляет в длину 350 км, в ширину - до 120 км. Наиболее приподнятый участок антеклизы выделяется как Центрально-Белорусский массив. На северной и восточной периферии массива располагаются Вилей- ский (250 км) и Бобруйский (130 км) погребенные выступы. Между Вилейским погребенным выступом и Центрально-Белорусским мас- сивом в пределах Белорусской антеклизы выделяется Воложинский грабен протяженностью 170 км и шириной 50 км. Поверхность фун- дамента в пределах грабена залегает на глубинах до -0,4 км. Припятский прогиб расположен между Белорусской и Воронеж- ской антсклизами и Жлобинской седловиной. Максимальная его дли- на - 280 км, ширина - 150 км. Припятский прогиб ограничен разло- мами. Брагинско-Лоевская седловина разграничивает Припятский и Днепровско-Донецкий прогибы. Она имеет ширину до 40 км и длину - до 60 км. Почта со всех сторон имеются разломные ограничения. Жлобинская седловина отделяет Оршанскую впадину от При- пятского прогиба и представляет собой перемычку между Белорус- ской и Воронежской антсклизами. Длина седловины - около 50 км, ширина - 45 км. Фундамент в ее пределах расположен на отметках от -0,5 до -0,8 км. 15 16 Полесская седловина отделяет Подлясско-Брестскую впадину от Припятского прогиба и в то же время разграничивает Белорусскую антеклизу и Украинский щит. Ее размеры - от 140 до 100 м, глуби- на залегания - 0,3 км. Подлясско-Брестская впадина с севера и юга ограничена разло- мами и имеет размер от 260 до 130 км. Поверхность фундамента погружается к западу от отметок -0,5 до 5,0 км. Южнее Подлясско-Брестской впадины расположен Лукувско- Ратновский горст шириной до 15 км. Латвийская седловина отделяет Оршанскую впадину от Балтийской синеклизы и, вместе с тем, является областью неглубокого погружения фундамента между Белорусской антеклизой и Балтийским щитом. Центральная часть седловины имеет отметки, равные -0,7 км. Оршанская впадина разделяет Белорусскую и Воронежскую ан- теклизы и ограничивается седловинами. В пределах впадины наблю- дается постепенное погружение на северо-восток от отметок -0,8 км до -1,7 км. Таким образом, строение поверхности кристаллического фунда- мента территории Беларуси достаточно разнообразно. 2.4. Основные особенности рельефа кровли антропогенового покрова Антропогеновый покров - это толща горных пород, на которую воздействует человек путем строительства и разработки полезных ископаемых. Антропогеновые отложения на территории Беларуси распрост- ранены повсеместно и имеют значительную мощность (300 м и бо- лее). Этот покров сформирован в результате надвигов пяти ледни- ковых покровов, приведших к накоплению до 90% объема антро- погенового чехла. Вертикальные зоны, входящие в антропогеновый покров: первая зона: глубина - 1...2 м; объект изучения - почвы; вид строительства - дорожное и аэродромное; вторая зона: глубина - от 2 до 20 м; объект изучения - осадоч- ные породы, преимущественно рыхлые; вид строительства - про- мышленное и гидротехническое; 17 третья зона: глубина - сотни метров; объект изучения - горные породы с преобладанием твердых разновидностей; вид строитель- ства - тоннели, метро, разработка полезных ископаемых. Высота дневной поверхности Беларуси (кровли антропогснового покрова) составляет в среднем 159 м над уровнем моря. Низменные пространства (3/5 территории) находятся на абсолютных отметках 100... 150 м, равнинные - 150...220 м . Перепад дневной поверхно- сти составляет 266 м (80 м - в долине реки Неман, 346 м - на горе Дзержинской). Рельеф характеризуется преобладанием плоских и пологоволнистых равнин речных долин. Северная часть Беларуси (Белорусское Поозерье) относится к области ледниково-аккумулятивного рельефа, в формировании ко- торого главную роль сыграл последний из покрывавших террито- рию Беларуси в антропогене ледников - Поозерский. Большую часть данной области занимает почти плоская Полоцкая низина, отметки которой составляют 130...150 м. Со всех сторон низину окружают холмистые гряды и возвышенности. Центральная часть республики имеет наиболее высокое поло- жение. От района Гродно - Волковыск в северо-восточном направ- лении простирается Белорусская гряда, созданная преимущественно Сожским ледником. В пределах данной гряды преобладают отметки 200...250 м. Наивысшей частью является Минская возвышенность, на которой выделяется гора Дзержинская. В северо-западном на- правлении расположена Ошмянская возвышенность (320 м ). В за- падной части Белорусской гряды выделяются Гродненская (247 м), Волковыская (242 м), Слонимская (226 м), Новогрудская (323 м) возвышенности. На востоке республики расположена Оршанская возвышенность (212 м). Южная часть республики включает Брестское, Припятское, Мозырскос и Гомельское Полесье. В основном, поверхность Бело- русского Полесья представляет пониженную заболоченную поло- гую слабоволнистую равнину. Над плоской поверхностью возвы- шаются многогочисленные ледниковые гряды и холмы. Отметки поверхности не превышают 150... 160 м. Для Белорусского Полесья характерны обширные болотные массивы. 18 Вопросы для самопроверки 1. К какой структурной единице по тектонической схеме отно- сится Беларусь? 2. Как называется участок земной коры, опущенный по крутым разрывам? 3. На какие инженерно-геологические единицы подразделяет горные породы зона вечной мерзлоты? 4. Какой щит относится к молодым платформам? 5. Чему равна плотность ядра земного шара? 6. Какое количество впадин имеется на кристаллическом фунда- менте РБ? 7. Какая эра в геологическом времени самая продолжительная? 8. Какой структурный элемент кристаллического фундамента разделяет Белорусскую и Воронежскую антеклизы? 9. Какие разломы определяют Воложинский грабен? 10. Чему равнялась среднегодовая температура поверхности зем- ного шара в период зарождения жизни на Земле? 3. ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ 3.1. Характеристика силикатов и алюмосиликатов Минералами называются природные химические образования (со- единения) или самородные элементы, являющиеся продуктами слож- ных физико-химических процессов, протекающих в земной коре. В образовании минералов наиболее активно принимают участие следующие соединения: 1) кремнезем Si02; 2) глинозем А1203; 3) окись и закись железа FeO, БегОз; 4) окислы щелочноземельных и щелочных металлов Mg, СаО, Na20 и К20. Породообразующими называются минералы, входящие в состав большинства горных пород. К основным породообразующим мине- ралам относятся силикаты и алюмосиликаты, которые по кристал- лохимической структуре разделяются на пять групп: 1. Островные силикаты (отдельные кольца) - минералы группы оливина, граната и др. Могут быть представлены: 19 Рис. 3.1. Крсмнекислородные радикалы силикатов и их структуры 1) единичным изолированным тетраэдром {Si^Of) (рис. 3 .1 (1))- 2) диортогруппой (Si20j)6~ (рис. 3.1 (2)); 20 3) группой из трех тетраэдров, связанных в кольцо (Si^Oy)6 (рис. 3.1 (3)); п 4) группой из четырех тетраэдров, связанных в кольцо (Si^O^) (рис. 3.1 (4)); 11 5) группой из шести тетраэдров, связанных в кольцо ( Л 6 0 | 8 ) (рис. 3.1 (5)), например: турмалин, берилл ВегАЬфбОи). 2. Цепочечные силикаты (одиночная одномерная цепочка) - пи- роксены: авгит, анстатит, гиперстен и др. (рис. 3.1 (6)). 3. Ленточные силикаты и алюмосиликаты (сдвоенная цепочка, лента) - амфиболы: роговая обманка и др. (рис. 3.1 (7)). 4. Листовые (слоистые) силикаты и алюмосиликаты (двухмер- ные) - слюды (мусковит, биотит), тальк, серпентин, каолинит и др. (рис. 3.1 (8)). 5. Каркасные силикаты и алюмосиликаты (трехмерные): кварц, полевые шпаты (ортоклоз, микроклин и др.), цеолиты (рис. 3.1 (9)). Силикаты можно расположить в 2 ряда по признакам сжимаемо- сти и степени выветривания (рис. 3.2). По сжимаемости По возрастающей степени выветривания Слоистые силикаты > Поясные и цепочеч- ные > Каркасные с крупны- ми катио- нами > Каркасные без круп- ных катио- нов > Изолиро- ванные тетраэдры (полевые шпаты) (кварц) Рис. 3.2. Классификация силикатов Атомы в кристаллах силикатов расположены закономерно напо- добие узлов пространственной решетки. Благодаря этому минералы имеют вид правильных многогранников. Если минералы не имеют внешних признаков правильного строе- ния, их называют некристаллическими, или аморфными. 21 Силикаты представляют собой 1/3 всех известных минералов и составляют примерно 85% состава земной коры. Наибольшее распространение и значение имеют следующие ми- нералы. Полевые шпаты - не растворимые в воде, характеризуются боль- шой твердостью (6,0 по шкале Мооса), совершенной спайностью, стеклянным блеском. Различают два основных вида полевых шпатов: 1) калиево-натриевые (ортоклаз); 2) кальциево-натриевые (плагиок- лаз). Ортоклазы входят в состав гранитов, гнейсов, сиенитов. Слюды - сложные кислоты алюмосиликатов. Различают два ос- новных вида: 1) биотит (черная слюда); 2) мусковит (белая слюда). Имеют совершенную спайность, твердость 2-3, стеклянный блеск, плотность 2,7...3,1 г/см3. Кальцит - минерал вторичного происхождения. Цвет белый, блеск стеклянный, излом по спайности, плотность 2,7 г/см3, твер- дость 3, входит в состав мрамора, вскипает при действии 10%-ной соляной кислоты. Кварц Si02. Твердость 7, спайность отсутствует, излом ракови- стый, плотность 3,5 г/см3. Бурый железняк или лимонит (2Fe203 • ЗН20). Цвет коричне- вый, твердость 1 ...5,5, плотность 3,5 г/см3. Гипс (CaS04 • 2Н20). Твердость 2, блеск стеклянный, слойность весьма совершенная, плотность 2,3 г/см3. Самый твердый минерал - алмаз - в 1000 раз тверже кварца и в 140 раз тверже корунда. 3.2. Первичные и вторичные минералы В процессе химического выветривания верхние слои земной ко- ры обогащаются различными соединениями, в результате чего ми- нералы подразделяются на первичные и вторичные. Первичные представляют собой минералы, полностью пере- шедшие в состав горных пород в неизменном виде. К ним относятся кварц, полевой шпат, слюды и др. Вторичные образуются в процессе химических изменений пер- вичных минералов. К ним относятся глинистые минералы, которые подразделяются на три основные группы: 1) каолинита; 2) монтмо- риллонита; 3) гидрослюды. 22 В группу каолинита входят минералы: каолинит, галлуазит и др. Они обладают прочной неподвижной кристаллической решет- кой, небольшой набухаемостью при увлажнении и малой способно- стью к поглощению различных веществ. В основе структуры као- линита Al2(0H)4[Si205lWCD [19] лежит листовая группировка кремне- кислородных и алюмокислородных атомов (рис. 3.3). Образование листа начинается атомами кислорода, потом сле- дуют слой кремния, слои кислородных атомов с участием гидро- ксильных групп, слой атомов алюминия; завершается слоем гидро- ксильных групп. Такая структура создает структурный пакет, Эле- ментарная ячейка сложена двумя пакетами. Два смежных пакета обращены друг к другу разноименными слоями, несущими проти- воположные заряды, - этим объясняется отсутствие способности набухать в одном направлении. При замораживании каолинит вспу- чивается в 10 раз больше, чем монтмориллонит. В группу монтмориллонита входят минералы: монтмориллонит, бейделит и др. Монтмориллонит в отличие от каолинита характери- зуется более высокими дисперсностью (раздробленностью) частиц, пластичностью и водопоглощением. При увлажнении грунтов, со- держащих монтмориллонит, их объем может увеличиваться в 10...20 раз. Такие грунты при увлажнении приобретают чрезмерную лип- кость, сильное набухание и большую осадку при высыхании. Пакет монтмориллонита {(Mgo^Al i .67)(OH)2[Si2O5]20ra)} • N a ^ ^ O ^ [19] (рис. 3.4) начинается и заканчивается слоями атомов кислоро- 23 да, за которыми идут слои атомов кремния, затем - слои кислород- ных атомов с участием гидроксильных групп; в центре располагает- ся слой атомов алюминия. Рис. 3.4. Схематическое изображение структуры монтмориллонита Пакеты обладают симметричным строением. Поскольку по их кра- ям располагаются атомы кислорода, несущие отрицательный заряд, два соседних пакета будут отталкиваться друг от друга, и молекуле воды легче проникнуть между пакетами, чем внутрь структуры пакета. Гидрослюды по своим свойствам занимают промежуточное по- ложение между каолинитом и монтмориллонитом. 1. Сколько сводных атомов имеет группа островных силикатов, составленная из четырех тетраэдров? 2. Нарисуйте кристаллохимическую структуру диортогруппы. 3. Структура какого минерала представлена каркасным силикатом? 4. Какой из минералов имеет наименьшую степень выветривания? 5. Какой минерал, входящий в шкалу твердости Мооса, имеет в своем составе две молекулы воды? 6. Какое физическое свойство обусловливает отражение солнеч- ного света? 7. Какая структура имеет наибольшее сопротивление сжатию? 8. Как называются минералы, не имеющие внешних признаков правильного строения? ' Ом О ^ С Т Оо Вопросы для самопроверки 24 9. К каким минералам относится такой представитель сложных кислот алюмосиликатов, как мусковит? 10. Назовите минерал, который способен увеличивать свой объ- ем при замораживании. 4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД 4.1. Основные подразделения пород по генетическим признакам Под генетическим подходом следует понимать анализ геологи- ческой истории развития территории, сложенной изучаемыми гор- ными породами. В основе генетического изучения горных пород лежит их подразделение на три основные группы: 1) магматические; 2) метаморфические; 3) осадочные. Горные породы - минералогические образования, состоящие из одного или нескольких минералов, обладающие постоянным мине- ралогическим составом и образующие земную кору. Горные породы, сформировавшиеся в одних и тех же условиях и имеющие один и тот же геологический возраст, могут отличаться по своим свойствам, что объясняется постгенетическими преобра- зованиями. 4.2. Минералы, определяющие химический состав магматических пород Магматические горные породы образовались в результате вне- дрения и остывания проникших из глубин в земную кору магмати- ческих масс (каменных расплавов) или излияния их на поверхность. Химический состав магматических пород определяется составом минералов, образующих породы. Это - окислы и силикаты. К окислам относится кварц БЮг. Силикаты представляют собой сложные соединения элементов - Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К, О, Н - в виде различных солей кремниевых кислот. К силикатам относятся: полевые шпаты, слюды, роговая обманка, авгит и др. 25 4.3. Классификация магматических пород Магматические породы по инженерно-геологической классифи- кации относятся к скальным и являются хорошим основанием для сооружений. В земной коре различают около 600 разновидностей магматических горных пород. Химический состав магматических пород определяется содер- жанием кремнезема Si02. По этому показателю магматические по- роды подразделяются на: 1) кислые (Si02 = 65... 75 %); 2) средние (Si02 = 52...65 %); 3) основные (Si0 2 -40. . 52 %); 4) ультраосновные (Si02 < 40 %). Классификация магматических пород (табл. 4.1) по содержанию Si02 имеет практическое значение. Окраска от кислых к основным породам изменяется от светлой до темной в зависимости от содер- жания цветных минералов (роговой обманки, авгита, биотита) от 5... 10% до 100%. Плотность также изменяется: у кислых 2,6... 2,7 г/см3, у основных 2,8... 3,1 г/см3. Магматические породы подразделяются также по происхожде- нию, условиям образования и залегания на: 1) глубинные (интрузив- ные); 2) излившиеся (эффузивные); 3) жильные (гипабиссальные). Интрузивные породы образовались в результате замедленного остывания магмы. Для них характерна полнокристаллическая (зер- нистая) структура. К интрузивным породам относятся: граниты, сиениты, диориты, габбро. Эффузивный магматизм проявляется в виде трещинных излия- ний на поверхность или вулканических извержений. В зависимости от скорости остывания магмы и выделения из нее газов возникают структуры эффузивных пород: 1) порфировая; 2) стекловатая; 3) по- ристая. В порфировой структуре на фоне основной массы имеются от- дельные крупные кристаллы, обычно - полевого шпата, что свидетель- ствует об относительно медленном остывании магматических масс. Стекловатая структура образуется при быстром охлаждении магмы. Пористая структура образуется при бурном выделении газов в процессе остывания излившейся магмы. 26 М ин ер ал ог ич ес ки й со ст ав ,% ч ет - ны е ми не - ра лы о 10 ... 15 о т о «ч о о М ин ер ал ог ич ес ки й со ст ав ,% по ле - вы е ш па - ты 40 ... 60 85 . . .9 0 О г- о не т М ин ер ал ог ич ес ки й со ст ав ,% кв ар ц 15 . . .4 0 V <Л> V ! не т не т О кр ас ка се ра я, ро зо ва я, кр ас но - ва та я НЬ тем но - се ра я, зе ле на я те мн о- се ра я, те мн о- зе ле на я те мн о- зе ле на я, че рн ая ч а а i я! X | | | кн s © жи ль ны е гр ан ит ы, пе гм ат и- ты , г ра - ни т- по р- фи ры , ди ор ит - по рф и- ри ты , га бб ро - ди аб аз ы | эф фу зи вн ые Т ек ст ур а ма сс ив - на я пу зы ри - ст ая ма сс ив - на я по ри ст ая ма сс ив - на я | эф фу зи вн ые Ст ру к- ту ра не по лн о- кр ис та л- ли че ск ая , ст ек ло - ва та я по рф и- ро ва я не по лн о- кр ис та л- ли че ск ая ст ек ло - ва та я не по лн о- кр ис та л- ли че ск ая | эф фу зи вн ые П ор од а кв ар це вы е по рф ир ы, ли па ри ты , об си ди ан , пе мз а по рф ир ы, тр ах ит ы по рф ир и- та , а нд е- зи ты ди аб аз ы ба за ль ты | ин тр уз ив ны е Те кс ту ра ма сс ив - на я ма сс ив - на я ма сс ив - I на я ма сс ив - на я ма сс ив - на я, пя тн и- ст ая | ин тр уз ив ны е Ст ру к- ту ра по лн о- кр ис та л- ли че ск ая по лн о- кр ис та л- ли че ск ая по лн о- кр ис та л- ли че ск ая по лн о- кр ис та л- ли че ск ая по лн о- кр ис та л- ли че ск ая , по рф и- ро ви дн ая | ин тр уз ив ны е П ор од а гр ан и- ты си ен и- ты ди ор и- ты га бб ро ду ни - ты , п е- ре до ти - ты , п и- ро кс е- ни г Ко ли - че ст во Si 0 2 , % п о ма сс е 65 ... 75 52 ... 65 52 ... 65 40 ... 52 о Tf V Ки с- ло т- но ст ь Ки с- лы е Ср ед - ни е О сн о- вн ые У ль - тр а- ос но - вн ые 27 К эффузивным породам относятся: кварцевые порфиры, обсиди- ан, пемза, порфирита, андезиты, базальты, диабазы. Жильные образования - это трещины, заполненные магмой. Их мощность - от 1 до 3 км. Магма изверженных пород застывает в виде различных по форме тел: 1) батолитов; 2) лакколитов; 3) различных жильных образова- ний (рис. 4.1). Рис. 4.1. Схема магматических тел Батолит - большое по площади интрузивное тело (до 10000 км2), по глубине практически не ограниченное. Шток - тот же батолит, но меньшего размера. Лакколит - караваеобразная интрузия, имеющая плоскую по- дошву, - например, гора Аю-Даг (Медведь-гора) в Крыму. Пере- вернутый лакколит называется силла. Дайки - «вертикальные жилы» - могут быть наклонными и пере- секать несколько пластов. Покровы - застывшая магма, растекшаяся на поверхности Земли, образованная при трещинном излиянии. 4.4. Характеристика важнейших представителей класса Граниты - интрузивная полнокристаллическая порода из класса кислых. Прочность изменяется от 48 до 270 МПа. 28 К этому же классу кислых, но эффузивных, относятся кварцевые порфиры, обсидиан, пемза, имеющие структуру соответственно порфировую, стекловатую и пузыристую стекловатую. Граниты распространены на юге Украины и на Кольском полу- острове. Сиениты по внешнему признаку напоминают граниты, но отли- чаются отсутствием кварца и большим содержанием цветных мине- ралов (10... 15%, в то время как граниты содержат 5... 10%). Отно- сятся к классу интрузий. Распространены в области Украинского кристаллического щита и на Урале. Из сиенитов в древние времена выполняли скульптурные изваяния (например, сфинксы на берегу р. Невы в Санкт-Петербурге). К тому же классу средних, но эффузивных, пород относятся пор- фиры, трахиты - эффузивные представители сиенитовой магмы. К группе основных относятся: габбро - интрузивные и базальты - эффузивные. Габбро - порода со средней и крупнозернистой струк- турой темно-зеленого, иногда черного цвета. Особенно распростра- нены на Украине и Урале. Базальты - эффузивные представители габбровой магмы. Структура от полнокристаллической до стеклова- той в зависимости от мощности залежи. Распространены базальты в Восточной Сибири, на Кавказе и в Армении. Дополнительный материал по данному разделу можно посмот- реть в учебном пособии «Дорожное грунтоведение и механика зем- ляного полотна дорог» [6]. Вопросы для самопроверки 1. Как сказывается на плотности магматической породы увели- чение содержания цветных минералов? 2. К какому классу относится магматическая порода, если со- держание Si02 в ней составляет 51%? 3. Как называется структура породы, если на фоне основной мас- сы имеются отдельные крупные кристаллы? 4. На сколько групп разделяются горные породы по генетиче- ским признакам? 5. Как называются магматические породы, образовавшиеся в глубине земной коры? 29 6. Какая эффузивная магматическая порода относится к группе основных? 7. Дайте определение горным породам. 8. Как называются магматические тела, имеющие каравасобраз- ную форму? 9. Какую структуру имеет обсидиан? 10. К какому классу магматических пород относятся граниты? 5. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПОРОД 5.1. Метаморфизм и его природа Метаморфическими называют горные породы магматического или осадочного происхождения, подвергшиеся воздействию боль- шого давления, высокой температуры, минерализованных раство- ров и газов. Различают три формы метаморфизма: контактный, динамо- и ре- гиональный. Контактный метаморфизм проявляется под воздействием вы- сокой температуры, газов и горячих растворов при прорыве магма- тических масс в толщу ранее отложившихся пород. Контактный метаморфизм выражается в оплавлении породы, что ведет к пере- кристаллизации и цементации. Динамометаморфизм проявляется при воздействии на горные породы высокой температуры и огромных давлений, возникающих в процессе горообразования. Региональный метаморфизм связан с погружением целых ре- гионов земной коры на большие глубины в недра Земли, в области очень высоких температур. Метаморфические породы практически водонепроницаемы и не растворяются в воде. По физико-механическим свойствам они близ- ки к магматическим; отличие состоит в их анизотропности, обус- ловленной сланцеватостью. Классификация метаморфических пород представлена в табл. 5.1. 30 М ин ер ал ьн ый со ст ав с» Ка ль ци т, ре же до ло ми т, ин ог да пр им ес ь гр ан иг а П ла ги ок ла з, ам фи бо л, п и- ро кс ен Кв ар ц, б ио ти т, ма гн ет ит , ин ог да п ол ев ой ш па т, гр ан ат Кв ар ц Кв ар ц, м ик ро - кл ин , б ио ти т, мо гу т бы ть р о- го ва я об ма нк а, пи ро кс ен , г ра на т Те кс ту ра Г- М ас си вн ая М ас си вн ая бе сп ор я- до чн ая М ас си вн ая бе сп ор я- до чн ая М ас си вн ая М ас си вн ая гн ей со ва я С тр ое ш е и вн еш ни й ви д о Зе рн ис то кр ис та лл ич ес ка я бе ла я, св ет ло -с ер ая п ор од а, и зр ед ка сл ан це ва та я ил и не яс но во лн и- ст о- по ло сч ат ая т ек ст ур а М ел ко зе рн ис та я, о че нь к ре пк ая по ро да те мн о- се ро го , те мн о- зе - ле но го и ли ч ер но го ц ве та М ел ко зе рн ис та я кр еп ка я по ро да се ро го , б ур ов ат о- се ро го , ин ог да ро зо ва то -с ер ог о цв ет а М ел ко зе рн ис та я по ро да , и но гд а сл ив на я (о тд ел ьн ые з ер на н ел ь- зя р аз ли чи ть ), бе ло го , ж ел то го , кр ас но ва то го ц ве та , бл ес тя щ ая на и зл ом е, и но гд а сл ан це ва та я, пл ит ча та я Зе рн ис то кр ис та лл ич ес ка я се ра я ил и ж ел то ва та я по ро да , и но гд а с по ло сч ат ой , о чк ов ой и ли с ла н- це ва то й те кс ту ро й Ви д ме та мо рф из ма д ин ам о- ме та мо рф из м 1 1 1 1 1 Ви д ме та мо рф из ма ре га он ал ьн ый 1 1 1 Кв ар ци т Гн ей с Ви д ме та мо рф из ма ко нт ак тн ый М ра мо р Ро го ви к ам фи бо ло - вы й Ро го ви к би от иг ов ьш 1 • И сх од ны е по ро ды (N И зв ес тн як Ки сл ые ву л- ка ни че ск ие по ро ды Гл ин ис ты й сл ан ец 1 П ес ча ни к Гр ан ит Я щ - - <ч •ч- 31 ю о « О оо Х ло ри т, а кт и- но ли т, ал ьб ит Ро го ва я об ма н- ка зе ле но го и ли че рн ог о цв ет а, пл аг ио кл аз Ро го ва я об ма н- ка , м ик ро кл ин , ин ог да п ол ев ой ш па т, ка ол ин ит г- Сл ан це ва - та я М ас си вн ая ил и сл ан це ва - та я Сл ан це ва - та я, т он ко - по ло сч ат ая , оч ко ва я vo М ел ко зе рш ст ая зе ле на я ма с- си вн ая п ор од а с ш ел ко ви ст ым бл ес ко м Зе рн ис то кр ис та лл ич ес ка я ма сс а те мн о- зе ле но го и ли че рн ог о цв ет а, н ер ед ко з ам ет ен б ел ый пл аг ио кл аз У гл ов ат ые о бл ом ки р аз др об ле н- ны х пе рв ич ны х по ро д, с це нт ри - ро ва нн ы е то й ж е ме лк о ра зд ро б- ле нн ой п ор од ой 1 1 Те кт он ич е- ск ие б ре кч ии , ми ло ни гы -ч- Сл ан ец I 1 1 1 1 1 01 Ос но вн ые и ср ед ни е в ул - ка ни че ск ие по ро ды Га бб ро , ди ор ит И зв ес тн як , гл ин ис ты й сл ан ец , ск ал ьн ая по ро да - о оо 32 5.2. Характеристика основных представителей метаморфических пород Наиболее распространенной породой, образующейся при кон- тактном метаморфизме, являются роговики - обычно - темные плотные породы, имеющие однородную структуру. Для них харак- терна полная перекристаллизация исходного материала. При контактном метаморфизме образуется и мрамор. В отличие от других метаморфических пород он растворяется в воде, содер- жащей углекислоту. Сопротивление сжатию - 100 МПа. Характерными представителями динамометаморфизма являются тектониты (катаклазиты, милониты) - раздробленные перетертые породы, сцементированные в различной степени. Все тектониты имеют высокую плотность, однако ниже первичных пород - грани- тов, песчаников, алевролитов. Среди пород регионального метаморфизма наиболее распро- странены гнейсы, кварциты, сланцы. Наиболее прочными являются кварциты - массивные породы различной зернистости, высокой прочности, морозоустойчивые. Пористость и водопоглощение со- ставляют 0,2... 0,3 %, сопротивление сжатию > 200 МПа. Гнейсы - продукты метаморфизма осадочных пород. Их физико- механические свойства изменяются в широких пределах. Своеоб- разная очковая текстура снижает их прочность. Кристаллические сланцы образуют самую разнообразную груп- пу. Общими признаками, отличающими их от массивных метамор- фических пород, являются слоистость и сланцеватость, которые сни- жают их морозостойкость и способствуют быстрому выветриванию. 5.3. Трещиноватость горных пород Почти все горные породы поражены трещинами, которые сооб- щаются между собой, образуя целую сеть, обусловливающую тре- щиноватость толщи. Трещины подразделяются на зияющие и выполненные. Зияющие - это свободные трещины, не заполненные никаким продуктом, с шириной раскрытия - от долей миллиметра до нес- кольких метров. Выполненные - это трещины, заполненные другими породами осадочного происхождения. 33 Для количественной оценки трещиноватости пород имеется ко- эффициент трещиноватой пустотности, представляющий со- бой отношение площади трещин в некотором сечении к самой пло- щади сечсния (%). В зависимости от этой величины различают по- роды с трещиноватостью: 1) слабой (Ктр = 2...5 %); 2) средней (К^ = 5... 10 %); 3) сильной (Ктр = 10... 15 %); 4) очень сильной (Ктр = 15... 20 %). В зависимости от происхождения все трещины горных пород подразделяются на три класса: формирования, деформации, вывет- ривания. Трещины формирования бывают двух видов: отдельности, ко- торые возникают в условиях остывания магматических масс; уса- дочные, которые возникают в результате усадки глинистых пород. К трещинам деформации относят трещины, возникающие на оползневых склонах в результате деформаций массивов. Трещины выветривания представляют собой дальнейшее раз- витие ранее возникших трещин. К ним относятся трещины сокра- щения, остывания, расширения (при замерзании воды), усыхания Вопросы для самопроверки 1. Какой минерал входит в состав мрамора? 2. В результате какого вида метаморфизма образовались гнейсы? 3. Какая метаморфическая порода является самой прочной? 4. Как называется вид метаморфизма, когда исходная порода опускается в области высоких температур? 5. Охарактеризуйте процесс метаморфизма. 6. Сколько существует форм метаморфизма? 7. Какая исходная порода лежит в основе гнейса? 8. Что такое анизотропность? 9. Какой вид метаморфизма связан с горообразованием? 10. Как подразделяются трещины по происхождению? 34 6. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД 6.1. Происхождение осадочных пород Осадочными называют горные породы, образующиеся при оса- ждении и накоплении продуктов физического и химического раз- рушения (выветривания) исходных пород с последующим уплотне- нием и цементацией. Выветривание скальных пород начинается с разделения массива по трещинам на меньшие обломки. Воздействие воды, кислорода, углекислоты ведет к разрушению породы. В результате она пре- вращается в скопление глинистых продуктов, обогащенных песком и более крупными обломками. Образование осадочных пород происходит в четыре стадии: 1) физическое и химическое разрушение исходных горных пород; 2) перенос водой или воздухом продуктов разрушения; 3) отложение продуктов разрушения и накопление органических остатков жизнедеятельности микроорганизмов животного и расти- тельного характера; 4) формирование пород из рыхлого осадка в процессе его уплот- нения под давлением позже отложившихся и перекрывающих его масс (диагенез), а также различных физико-химических процессов, приводящих к цементации грунтов (эпигенез). В зависимости от природных условий, при которых происходило формирование осадочных пород, они могут быть морского или кон- тинентального происхождения. По происхождению осадочные породы подразделяются на три ос- новные группы: обломочные, органогенные, химические (табл. 6.1). К обломочным относят породы, образовавшиеся из твердых продуктов выветривания горных пород, оставшихся на месте своего накопления, отложившихся в результате переноса водой или возду- хом. Характерной особенностью обломочных пород является по- вышенная пористость, доходящая до 40% и более, тогда как порис- тость магматических пород не превышает 1... 3%. Обломочные по- роды можно подразделить на две основные категории: собственно обломочные и глинистые. Каждая из этих категорий подразделяется на рыхлые и сцементированные. 35 Т а б л и ц а 6.1 Классификация осадочных пород Группы Вид Сцемен- тиро- ванность Название породы Обло- мочные Собст- венно обло- мочные Рыхлые Глыбы, валуны Щебень, галька Дресва, гравий Песок Пылеватые: лессовидные, лессы Сцемен- тирован- ные Брекчии - неокатанные обломки Конгломерат - окатанные обломки Песчаник Алевролиты Глини- стые Рыхлые Супеси | Суглинки Глины Сцемен- тирован- ные Аргиллиты Орга- ноген- ные Карбонатные Известняк ] Доломит Мел | Мертель Кремнистые Опока Диатомит Химические Ангидрит | Гипс | Каменная соль Органогенные породы образовались в водоемах в результате деятельности разнообразных организмов. К ним относятся извест- няк, доломит, мел, мергель, диатомит и т.д. Химические осадочные породы образовались путем естественного выпаривания из морских или озерных вод растворенных в них солей. К продуктам этой группы относят ангидрит, гипс, каменную соль. 6.2. Петрографический состав осадочных пород Петрография - наука, изучающая свойства горных пород, их происхождение, изменение, минералогический и химический сос- тав, строение, условия залегания. По величине обломков осадочные породы подразделяют на сле- дующие основные группы: 1) крупнообломочные (псефитовые) с частицами более 2 мм; 2) песчаные (пеоммитовые) с частицами от 2 до 0,05мм; 3) пылеватые (алевритовые) с частицами от 0,05 до 0,005 мм; 4) глинистые (пелитовые) с частицами менее 0,005 мм. По форме обломков различают породы, в которых частицы мо- гут быть: 36 1) угловатыми (неокатанными); 2) округло-угловатыми (полуокатанными); 3) округло-полированными (окатанными). В зависимости от размеров частиц и характера их поверхности гранулометрические элементы подразделяются на: 1) крупнообломочные (частицы крупнее 2 мм): а) валун (поверхность окатанная), глыба (поверхность неокатан- ная) размером > 200 мм; б) галька (окатанная), щебень (неокатанная) размером от 10 до 200 мм; в) гравий (окатанная), дресва (неокатанная) размером от 2 до 10 мм; 2) песчаные (частицы от 2 до 0,05 мм); 3) пылеватые (частицы от 0,05 до 0,005 мм); 4) глинистые (частицы меньше 0,005мм). К рыхлым глинистым породам относятся: 1) супеси с содержанием глинистых частиц размером менее 0,005 мм от 3 до 10 %; 2) суглинки - от 10 до 30 %; 3) глины - более 30 %. Таким образом, петрографический состав обломков, как и сте- пень их окатанности, - самый разнообразный. Они могут состоять из магматических и метаморфических пород. По минералогическому составу осадочные породы подразделя- ют на: 1) мономинеральные, состоящие более чем на 90 % из одного минерала (кварцевые песчаники, кварцевые алевролиты); 2) олигомиктовые (малосмешанные), в которых один из мине- ралов составляет 60...90 % и один-два других образуют смесь (на- пример: кварцеполсвошпатовые песчаники: кварца 60...70 %, поле- вых шпатов 20 %); 3) полимиктовые (сильносмешанныс), - когда порода состоит из смеси обломков различных минералов, среди которых нет преоб- ладающих. 6.3. Грунты и их классификация Грунт - это любая горная порода или почва, слагающая верхний слой земной коры, изучаемая как многокомпонентные системы и изменяющаяся во времени. 37 Стандарт Республики Беларусь 943-93 «Грунты. Классификация» включает в себя рассмотрение следующих классов грунтов: 1) с жесткими структурными связями (класс скальных грунтов); 2) без жестких структурных связей (класс нескальных грунтов). Поскольку для основания транспортных сооружений и получения дорожно-строительных материалов в Республике Беларусь, в основ- ном, используются грунты без жестких структурных связей, рас- смотрим их классификацию с позиции СТБ 943-93. Она предусмат- ривает разделение свойств грунтов на типы, виды и разновидности. Тип - это разделение грунтов по петрографическому, грануло- метрическому составам и числу пластичности. Вид - это разделение по структуре, текстуре, степени неодно- родности, содержанию заполнителей и органических веществ. Разновидность - это разделение по физическим, механическим и химическим свойствам. Классификация крупнообломочных грунтов представлена в табл. 6.2. Т а б л и ц а 6.2 Классификация крупнообломочных грунтов Тип Вид Разновидность По гранулометрическому составу: валунный ipyirr (при пре- обладании неокатанных частиц - глыбовый) - мас- са частиц крупнее 200 мм - более 50% галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц - щебенистый) - масса частиц крупнее 10 мм - более 50% гравийный грунт (при пре- обладании неокатанных частиц - дресвяный) - мас- са частиц крупнее 2 мм - более 50% По составу и содержа- нию заполнителя: с песчаным заполните- лем - при его содержа- нии более 40%; с пылевато-гл инисты м заполнителем - при его содержании более 30% (состав заполнителя устанавливается после удаления из образца грунта частиц крупнее 2 мм) 1. По степени влажности Sn маловлажный, 0 < Sr ^ 0,5; влажный, 0,5 < Sr < 0,8; водонасыщенный, 0,8 < Sr < 1 2. По степени засоленности DsW, %: незаселенный - при содер- жании песчаного заполни- теля менее 40% или пыле- вато-глшшстого - менее 30%, D^ < 2 при содержании песчаного заполнителя 40% и более, D w <0,5 при содержании пылевато- глинистого заполнителя 30% и более, D,,/<5 засоленный - значение D ,^/ больше указанного для незаселенного грунта 38 Согласно стандарту, песок - это горная порода, в гранулометри- ческом составе которой масса частиц крупнее 2 мм составляет ме- нее 50%, а число пластичности Ip < 1. Песчаные грунты классифи- цируются только по виду и разновидности (табл. 6.3). Пылевато-глинистые грунты классифицируются по типу, виду и разновидности (табл. 6.4). Т а б л и ц а 6.3 Классификация песчаных грунтов Вид Разновидность 1. По гранулометрическому составу. гравелистый - масса частиц крупнее 2 мм - более 25 %; крупный - масса частиц крупнее 0,5 мм - более 50 %; средний - масса частиц крупнее 0,25 мм - более 50 %; мелкий - масса частиц крупнее 0,1 мм - более 75 %; пылеватый - масса частиц крупнее 0,1 мм - менее 75% 2. По показателю максимальной неоднород- ности Umax) однородный, Umax < 4; среднеоднородный, 4 < Umax й 20; неоднородный, 20 < Uraax < 40; повышенной неоднородности Umax > 40 3. По относительному содержанию органического вещества Iom: без примеси органического вещества. Iom <0,03; с примесью органического вещества, 0,03 < l n m < 0.1 1. По прочности'. qc (ГОСТ 20069-81); Pd (ГОСТ 19912-81); V (ГОСТ 19912-81) 2. По степени влажности: Sr - как разновидность крупнообломочного фунта 3. По степени засоленно- сти Dsafc %: незаселенный, D^ < 0,5; засоленный, D^ £ 0,5 39 Т а б л и ц а 6.4 Классификация пылевато-глинистых грунтов Тип Вид Разновидность По числу пластично- сти 1р, %: супесь, 1 й 1р <, 1 суглинок, 7 <> 1р < 17 глина, 1р > 17 1. По содержанию вклю- чений по массе '. с галькой (щебнем) либо с гравием (дресвой) при содержании соответству- ющих частиц крупнее 2 мм 15...25%; галечниковый (щебени- стый) либо гравелистый (дресвяный) при содержа- нии соответствующих частиц крупнее 2 мм 26...50% 2. По относительному со- держанию органического вещества без примесей органиче- ского вещества, 1от <, 0,05; с примесью органическо- го вещества 0,05 < ^ ^ 0,1 3. По коэффициенту пористости с: низконористые, е < 0,8; высокопористые, е > 0,8 1. По прочности: qc (ГОСТ 20069-81); Ра(ГОСТ 19912-81) 2. По показателю текучести It (консистенции): супесь твердая, It < 0; супесь пластичная, OsltS 1; супесь текучая, II > 1; суглинок и глина: твердые, IL < 0; полутвердые, 0 <, IL £ 0Д5; тугонластичные, 0,25 < It ^ 0,5; мягкошгасгичные, 0,5 < II ^ 0,75; текучепластичные, 0,75 < It ^ 1", текучие, 1L > 1 3. По относительной просадоч- ности: непросадочный, е^ < 0,01; нросадочный, Eg/ £ 0,01 4. По относительному набуха- нию: ненабухающий, b,w < 0,04; слабонабухающий, 0,04 ^ s,w £ 0,08; средненабухающий, 0,08 5 £^<0,12; сильнонабухающий, ет > 0,12 5. По степени засоленности D«a/> %, супесь и суглинок: незаселенный, D^ < 5 засоленный, О^ 2: 5 40 Обломочные грунты характеризуются следующими показателями: 1. Степень влажности (ГОСТ 5180-84) W S r = — , (6.1) » * mnv где W - естественная влажность грунта; Wmax - полное водонасыщение грунта, т.е. заполнение всех пор водой, причем из породы удален под вакуумом воздух. 2. Число пластичности (ГОСТ 5180-84) Ip = W l - W P , (6.2) где Wl - влажность, соответствующая границе текучести; Wp - влажность, соответствующая границе раскатывания. 3. Показатель текучести (ГОСТ 5180-84) W - W ^ L W L - W p где показатели - такие же, как в предыдущих формулах. 4. Относительная просадочность (ГОСТ 23161-78) A h s / e s / = h ' ( 6 4 ) где Ahs; - уменьшение высоты образца; h - первоначальная высота образца. 5. Относительное набухание без нагрузки (ГОСТ 24143-80) A h e S w = - r ^ , (65) h гДе Ahsw - увеличение высоты образца. 41 6. Коэффициент пористости (ГОСТ 5180-84) Упор _ Ps I VTB Pd е = ( 6 6 ) где Упор - объем пор грунта; Vtb - объем твердой фазы грунта; ps - плотность частиц грунта; ра - плотность сухого грунта. 7. Показатель максимальной неоднородности (ГОСТ 12536-79) U m a x = d 5 0 - ^ - , (6.7) где ds, dso, d95 - диаметры частиц, содержащихся в грунте соответ- ственно в количестве 5, 50, 95%. 8. Относительное содержание органического вещества (ГОСТ 23740-79) I o m = E 2 S L , (6-8) md где Шот - масса органического вещества; т а - масса сухого грунта. 9. Степень засоленности Dsa/= — - 1 0 0 , (6.9) m d где msaz - масса солей в грунте (легкорастворимых: хлоридов, би- карбонатов, карбоната натрия, сульфата магния и натрия; средне- растворимых: гипса и ангидрита). 10. Прочность осадочных грунтов оценивается: 1) сопротивлением при статическом зондировании qc (ГОСТ 20069-81); 2) сопротивлением при динамическом зондировании Pd (ГОСТ 19912 81); 42 3) скоростью ударно-вибрационного зондирования V (ГОСТ 19912-81). Следует иметь в виду, что по всем трем показателям оценивается прочность только песчаных грунтов, за исключением гравелистого песка, который оценивается показателями Ра и V, а пылевато-гли- нистые грунты классифицируются по qc и Ра. Вопросы для самопроверки 1. Как называется процесс формирования пород из рыхлого осад- ка под воздействием уплотнения и цементации? 2. К какому типу относится грунт, имеющий неокатанную форму частиц и размер от 10 до 200 мм? 3. Какой трещиноватостью характеризуется порода при отноше- нии площади трещин к площади сечения, равном девяти? 4. На сколько стадий можно разбить процесс образования оса- дочных пород? 5. К какому виду относится песок, если масса частиц крупнее 0,25 мм составляет 65%? 6. К какому виду относится грунт, если лабораторные исследо- вания пылевато-глинистых грунтов позволили получить коэффици- ент пористости, равный 0,7? 7. К какому типу относится грунт, имеющий неокатанную форму частиц от 10 до 200 мм? 8. К какой разновидности относится грунт, если его степень влажности равна 0,6? 9. К какому виду относится пылевато-глинистый грунт, если со- держание частиц от 2 до 10 мм составляет 26%? 10. Напишите формулу для определения консистенции грунта. 7. ЭНДОГЕННЫЕ И ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ВЫЗВАННЫЕ ИМИ ЯВЛЕНИЯ Эндогенными называют процессы, происходящие в недрах Зем- ли, которые проявляются в виде вулканических извержений, земле- трясений, наступления на сушу и отхода морей, изменения высот- ного положения континентов. Гравитационные геологические процессы обусловлены силой земного притяжения. 43 При развитии любых геологических процессов должен сущест- вовать так называемый обязательный фактор, без которого рас- сматриваемый геологический процесс не может возникнуть. Таким обязательным фактором может быть: 1) для эндогенных процессов - внутриземной термодинамиче- ский режим; 2) для гравитационных процессов - напряженное состояние по- роды или среды; 3) для экзогенных процессов - наличие воды или температуры. 7.1. Тектонические движения земной коры Тектонические движения связаны с явлениями: 1) морской трансгрессии; 2) дрейфа континентов; 3) радиальных и тангенци- альных движений земной коры. Морская трансгрессия - это затопление морем пониженных участков суши. Регрессия - отступление моря. Примерно 100 млн. лет назад южная часть европейской террито- рии СНГ (вплоть до Москвы) была затоплена Меловым морем. Ме- жду Европой и Америкой была суша, которая сейчас покрыта Ат- лантическим океаном. Дрейф континентов - это крупномасштабные горизонталь- ные перемещения континенталь- ных блоков. В начале XX в. А. Вс- генер выдвинул теорию о совпа- дении береговых линий Западной Африки и восточной части Южной Америки. Он полагал, что оба эти континента некогда образовывали единый континент. В последую- щем этот континент раскололся, и материк Америки начал свое сме- щение в западном направлении (рис. 7.1). При определенных условиях из недр Земли в зоны разрывов уст- ремляются расплавы, расталки- вающие плиты и вызывающие их 44 Рис. 7.1. Совпадение береговых линий континентов смещение. Дрейф Америки осуществляется в западном направлении со скоростью 15 мм/год. Другой континент - Австралия - смещает- ся в восточном направлении со скоростью 70 мм/год. Тектонические явления, выражающиеся в сложной и разнооб- разной деформации земной коры, по форме движения можно под- разделить на вертикальные (радиальные) и горизонтальные (тан- генциальные). Вертикальные тектонические движения представляют собой сменяющие друг друга медленные подъемы и опускания тех или иных участков земной коры. Скорость этих движений достигает 5... 15 мм/год. Примеры мест, связанных с поднятием земной коры: район Курска и Донбасса поднимается со скоростью 3...5 мм/год; Кривой Рог и предгорье Карпат - 10 мм/год, Урал - 4...6 мм/год, Памир за последние 10 тыс. лет поднялся на 500...800 м. Примеры мест, связанных с опусканием земной коры: район между Москвой и Ленинградом опускается со скоростью 1,5 мм/год, нижнее тече- ние Немана - 2...4 мм/год, побережье Черного моря в районе Одес- сы - 5 мм/год, в районе Колхидской низменности - 2 мм/год. Движения земной коры вызывают образование гигантских раз- ломов длиной в тысячи километров. На дне Тихого океана известны глубоководные океанистические впадины: Марианский желоб - 11022 м, Тонга (восточнее Австралии) - 10822 м, Филиппинский желоб - 10497 м, Кермадек (близ Новой Зеландии) - 10047 м. На дне Атлантического океана располагается Южно-Сандвичев желоб (8428 м), Индийского океана - Яванский желоб (7450 м). Горизонтальные (тангенциальные) тектонические движения приводят к смятию земной коры, образованию складчатых струк- тур. Таково происхождение Уральского и Кавказского хребтов. В области Альп смещение направлено в сторону Мюнхена со скоро- стью 10 мм/год. Калифорнийское побережье США перемещается со скоростью 5 мм/год. Тектонические движения земной коры можно подразделить на дислокационные и колебательные. Дислокационным движениям предшествует медленное пере- распределение напряжений в земной коре, в результате которого возникают зоны и очаги повышенных и пониженных напряжений. Когда эти напряжения превысят прочность породы, начинаются дислокационные движения, вначале - в форме пластических де- формаций, а затем - разрывных. 45 Колебательные движения вызваны сейсмичностью, физическая природа которой связана с внутренними и внешними механически* ми импульсами - ударами, толчками, взрывами, возбуждающими ц сплошной среде упругие волны. Внутренние и внешние механические импульсы могут возникать вследствие: 1) разрядки упругих напряжений, вызванных взрывами, соударе- ниями и трением между блоками земной коры; 2) тепловых взрывов в верхней зоне мантии, связанных с пласти- ческими движениями, обусловливающими нарастание температу ры до критического уровня; 3) провалов пещер, горных обвалов и лавин. Распространяясь с большей или меньшей скоростью, зависящей от силы удара, характера среды, волны вызывают сотрясение в раз- ных участках земной коры. Скорость распространения сейсмических волн различна в про- дольном и поперечном направлениях. В твердых породах продоль- ные волны распространяются со скоростью 4...6 км/с, поперечные - 3...4 км/с. В менее плотных породах скорость распространения за- метно снижается: в известняках - около 2 км/с, в рыхлых породах - не более 1,0 км/с. В водной среде сейсмические колебания распро- страняются со скоростью 1000 км/ч, т.е. в три раза медленнее, чем в рыхлых породах. 7.2. Явления, вызванные гравитационными процессами В результате гравитационных геологических процессов, обу- словленных силой земного притяжения, происходит отрыв, скапы- вание либо пластическое течение породы. К гравитационным явлениям относятся: обвалы, осыпи, оползни, сели и снежные лавины. Обвал - это отделение от массива крупного блока горных пород на крутом обрывистом склоне, происходящее вследствие потери устойчивости под влиянием различных факторов. Обвалы происхо- дят на склонах, монолитность которых нарушена трещинами. При- мером катастрофического обвала может служить событие 1911 го- да, когда на Памире обрушилось свыше 2,2 млрд. м3 породы. В ре- зультате р. Бартанг оказалась перекрытой дамбой длиной 5 км и 46 высотой 700 м. Образовалось Сарезскос озеро длиной 80 км и глу- биной 500 м. Так же возникло озеро Рида на Кавказе. Осыпи - это накопления, образующиеся при скатывании со склонов обломков пород различных размеров. Характерной особен- ностью осыпей является их подвижность. По подвижности они под- разделяются на действующие, затухающие и неподвижные. Оползни - это скользящее смещение горных пород на склонах под воздействием собственного веса и подземных вод. Устойчи- вость склонов нарушается при наличии таких факторов, как увели- чение активных сдвигающих сил, уменьшение сил сопротивления или одновременное воздействие обоих факторов. Оползающий массив находится под воздействием двух момен- тов: вращающего (сдвигающего) Мсд и удерживающего Муд. Коэффициент устойчивости склона или откоса равен отношению суммы моментов удерживающих сил Муд к сумме моментов сдви- гающих сил Мсл: К = — ( 7 . 1 ) 1 М С Д Считается, что склон устойчив при коэффициенте устойчивости К = 1,25. .1,5. Если склон сложен из однородных грунтов, расчет его устойчи- вости производится методом круглоцилиндрических поверхно- стей скольжения (КЦПС), из разнородных фунтов, - методом горизонтальных сил Маслова-Берера. По методу КЦПС степень устойчивости определяется способом моментов массива, ограниченного криволинейной поверхностью скольжения, приближающейся к круговой кривой. Расчет сводится к нахождению центра наиболее опасной кривой скольжения, для которой коэффициент устойчивости имеет минимальное значение. Центр такой кривой определяется по методу шведского ученого Фелениуса (рис. 7.2). 47 Рис. 7.2. Схема для определения центра наиболее опасной кривой скольжения Для нахождения центра наиболее опасной кривой скольжения опускаем из нижней точки откоса перпендикуляр на расстояние, равное Н, где Н - высота откоса. От полученной точки проводим горизонтальный луч, на котором через расстояние, равное 4,5 Н, получаем точку А. Таким образом, точка А находится на глубине, равной 2 Н. Из характерных точек откоса (верхней и нижней) про- водим 2 луча под углами а и р . Значение этих углов в зависимо- сти от крутизны заложения откоса принимается по табличным ве- личинам [7]. Пересечение этих лучей даст нам точку В. Соединяем точки А и В прямой, и на ней произвольно выбираем 4 точки (1, 2, 3, 4), каждая из которых последовательно становится центром кри- вой скольжения. Радиусом, равным расстоянию от выбранной точки (1, 2, 3, 4) до нижней точки откоса, проводим круговую криву ю Полученный массив разбиваем на блоки вертикальными линиями шириной 1 ...2 м и определяем вес каждого блока: P i = F r P i , (7.2) где Fi - площадь блока; Fi = /i-hi, 48 где к - ширина блока; hj - средняя высота; pi - плотность грунта. На каждый блок действуют две силы: удерживающая N = Р; fi • cos ctj +сА; (7.3) сдвигающая Т = Pj • sin а;, (7.4) где Pi - вес блока; fj = tg (pi - коэффициент внутреннего трения грунта; q>i - угол внутреннего трения грунта; oti - угол наклона к горизонту поверхности скольжения в преде- лах выделенного отсека; с - сцепление грунта; li - длина кривой скольжения в пределах отсека. Для каждого отсека моменты сдвигающих и удерживающих сил определяются из выражения Myai = N • R; (7.5) МСД| = Т- R. (7.6) Коэффициент устойчивости определяется из выражения (i=n i=n „ R К _ LiMydi = HMcdi X ^ . f g p . c o s ^ + ^C,/, . Vi=l 1=1 . i=l Упрощаем формулу, применив следующие обозначения: cos ai = 1. Сдвигающую силу заменяем моментом всех блоков относитель- н о Центра вращения: 49 IPi sin a j XPi Xi, где X; - плечо от оси до центра тяжести блока. | ' = Я ^С (/ ( при однородном грунте выражаем через длину всей дуги 1=1 скольжения Cwt, где Сокращаем R. В окончательном виде коэффициент устойчивости равен Сели - это временные грязекаменные потоки, насыщенные твер- дыми материалами, которые могут изливаться с огромной силой из мест с высокими геодезическими отметками в равнины и долины. По характеру движения сели подразделяют на связные, или струк- турные, и текучие, или турбулентные; по условиям образования - на ливневые и гляциальные (возникающие в результате разрушения берегов высокогорного озера). Геологические условия способству- ют формированию водокаменных, грязекаменных и грязевых селей. Снежные лавины - это обрушение больших масс снега, причем большое количество снега не является обязательным условием для возникновения лавины. Необходима перекристаллизация снега. Уп- ругость пара над разными по форме снежинками различна, вследст- вие чего мелкие кристаллы исчезают, а крупные растут, округляя свои формы. Возгонка паров от нижних слоев в верхние приводит к разрыхлению снега. По характеру движения выделяют: снежные осовы (оползни), лотковые и прыгающие лавины. j:P№9+Cw-L i-n (7.8) 50 Вопросы для самопроверки 1. Как называется процесс отступления моря и поднятия участ- ков суши? 2. В какой среде распространение сейсмических волн осуществ- ляется со скоростью 1000 км/ч? 3. Приведите пример радиального опускания поверхности Земли. 4. Какой континент смещается в восточном направлении со ско- ростью 70 мм/год? 5. Какие моменты преобладают при устойчивом откосе? 6. Какой параметр определяется по методу Фелениуса? 7. Напишите формулу для определения коэффициента устойчи- вости откоса. 8. Какой обязательный фактор ведет к возникновению гравита- ционных процессов? 9. Что предшествует дислокационным движениям земных масс? 10. Как образуются гляциальные сели? 8. ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ КЛИМАТИЧЕСКОГО И ВОДНОГО ХАРАКТЕРА И ВЫЗВАННЫЕ ИМИ ЯВЛЕНИЯ 8.1. Явления, вызванные экзогенными процессами климатического характера Экзогенными называются процессы, происходящие на поверх- ности земного шара под воздействием солнечной энергии, климати- ческих факторов, действия воды, температуры и давления. Все эк- зогенные процессы подразделяются на процессы климатического и водного xapaicrepa. К экзогенным процессам климатического характера относятся: выветривание, криогенные и эоловые процессы. Выветриванием называется процесс разрушения и изменения состава, а также состояния горных пород на месте их залегания под воздействием физических явлений, химических процессов и дея- тельности различных организмов. Различают виды выветривания: физическое, или механическое, химическое, биологическое, или органическое. 51 Под физическим выветриванием понимают возникновение тем- пературных напряжений, вызываемое колебаниями температур и водой, попавшей в трещины и развивающей боковое давление при замерзании. Скорость процесса физического выветривания можно опреде- лить из выражения Я = a J T l ^ при /о 7; 3) кислым - при H+1 > ОН"1, чему соответствует рН < 7. Следует отметить, что рН может изменяться от 1 до 13. Газообразная фаза соприкасается с жидкой и растворяется в ней, вступая при этом во взаимодействие с твердыми частицами. Обычное состояние грунта - трехфазное, однако он может нахо- диться и в двухфазном состоянии, когда промежутки между твер- дыми частицами целиком заполнены водой. В таком состоянии на- ходятся грунты, расположенные ниже уровня грунтовых вод. Ис- кусственным путем грунт можно представить и в однофазном со- стоянии, если из него удалить воду и поместить под вакуум. 57 Все горные породы различаются по: 1) минералогическому составу; 2) состоянию; 3) структурным и текстурным особенностям. Под минералогическим составом понимают относительное со- держание различных минералов, выраженное в процентах к весу. Состояние характеризуется плотностью, влажностью и др. Под структурой подразумевается внутреннее строение горной породы, обусловленное величиной и формой минералов, а также характером связей между отдельными элементами. Текстура определяет внешний облик породы (массивность, од- нородность, слоистость, пористость). 9.1. Структура грунтов Размеры, форма и взаимное расположение зерен в грунтах может быть разнообразным и зависеть от состава материнской породы. Зерна могут быть шарообразными или угловатыми. Поверхность зерен может быть гладкой или шероховатой. Пространство между частицами называют порами. Число контактов = 6 Число контактов = 8 Число контактов =10 Число контактов =12 Число контактов = 12 Рис. 9.1. Возможные комбинации расположения шаров: а - статически неустойчивая укладка; б, в, г - статически устойчивая (наиболее вероятная); д - статически устойчивая (редчайшая) 58 По плотности укладки зерен различают: плотную и рыхлую раз- дельно-зернистую структуры. Плотная структура характеризуется минимальной пористостью. Приняв допущения, что грунт представлен шарообразными час- тицами одного размера, можно вывести пять теоретически возмож- ных взаиморасположений этих частиц, при которых пористость из- меняется от «шах» до «min» (рис. 9.1). В каждом из перечисленных случаев есть одно из двух соотно- шений между диаметром шара и вписанной в пространство между шарами окружностью (рис. 9.2): Рис. 9.2. Соотношение между диаметром шара и цилиндрической порой Хотя поперечное сечение поровых каналов принимают круглым, в действительности их геометрическая форма приближается к тре- угольнику. По длине они также изменяются и имеют сужения и расширения. Но поскольку в вершинах треугольника нет движения фильтрационного потока воды из-за образования застойных зон и пленок молекулярно связанной воды, поры считают цилиндриче- скими. Наиболее распространенные значения пористости для раз- личных грунтов представлены в табл. 9.1. Структуру рыхлых обломочных и песчаных грунтов называют Раздельно-зернистой, глинистых - агрегатной. Последняя отлича- (9.1) Л D 9.2. Значение пористости грунтов 59 ется от раздельно-зернистой тем, что отдельные гранулометриче- ские элементы в глинистых грунтах соединены вместе и образуют более крупные и сложные агрегаты. В зависимости от величины агрегатов различают микро-, макро- и мезоагрегатную структуры. Т а б л и ц а 9.1 Значение пористости грунтов Наименование пород Пористость пород, % минимальная максимальная наиболее рас-пространенная Гравелистые 19 55 22...38 Песчаные 20 81 26... 48 Лессовые 34 64 36...50 Иловатые 35 90 38...70 Глины 22 91 32... 60 Агрегаты, в свою очередь, подразделяются на монодисперсные и полидисперсные. Монодисперсные агрегаты образуются, если слагающие породу частицы относительно одинаковы по размерам. Такие структуры часто называют губчатыми, или ячеисто-хлопьевидными. Они обра- зуются благодаря процессу коагуляции. Коагуляция - это слипание частиц в дисперсных системах, ве- дущее к уменьшению их числа и увеличению их массы. Полидисперсные агрегаты образуются при наличии частиц пес- чаных, пылеватых и глинистых, а образовавшаяся при этом струк- тура называется сложной каркасной. В породах между частицами существуют структурные связи. Их можно разделить на кристаллизационные, конденсационные и коа- гуляционные. Кристаллизационные связи возникают по мере охлаждения магмы. В кристаллической решетке минералов связь между поло- жительными и отрицательными ионами - химическая. Кристалли- зационные структурные связи хрупки и при разрушении не восста- навливаются 60 Конденсационные связи возникают в процессе эпигенеза, т.е. выделения из порового пространства различных химических ве- ществ, играющих роль цемента между минеральными частицами. Коагуляционные связи возникают при осаждении в водоемах тонкодиспсрсных и коллоидных частиц. Они проявляются у глини- стых пород при наличии физически связанной воды за счет сил межмолекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса). Вопросы для самопроверки 1. Из скольких компонентов состоит грунт? 2. Каким соотношением между свободными ионами характери- зуется нейтральная среда? 3. Какими параметрами характеризуется состояние грунта? 4. Нарисуйте комбинацию шаров при пористости, равной 30,02%. 5. Каково соотношение между частицей и порой при числе кон- тактов частиц, равном 8? 6. Какие грунты имеют наибольшую пористость? 7. Что собой представляют поры грунта? 8. Какую структуру образуют глинистые частицы? 9. Что такое процесс коагуляции? 10. Дайте характеристику конденсационным структурным связям. 10. ДИСПЕРСНЫЕ ГРУНТЫ 10.1. Гомогенные и гетерогенные системы Процессы физического, химического и биологического выветри- вания обусловливают постепенное накопление в толще грунтов все более мелких частиц, в результате чего такие грунты приобретают свойства дисперсных систем. Дисперсными называют системы, состоящие из двух или более веществ, распределенных одно в другом. Грунт при увлажнении представляет собой дисперсную систему, где дисперсионной средой является вода, в объеме которой распре- делены твердые минеральные частицы грунта - дисперсная фаза. Дисперсные системы подразделяются на однофазные (гомоген- ные) и многофазные (гетерогенные). 61 Однофазными (гомогенными) называются системы, в которых в любой точке внутри занимаемого ими пространства физические свой- ства остаются постоянными (например: растворы, газ, дым, туман). Многофазными (гетерогенными) называются системы, состоя- щие из различных фаз, взаимодействующих между собой по по- верхности раздела. Грунты представляют собой многофазную дис- персную систему. Для таких систем большое значение имеет степень дисперсно- сти, характеризуемая удельной поверхностью, которая представляет собой отношение величины суммарной поверхности частиц к зани- маемому ими объему. 10.2. Коллоиды и коллоидные системы (мицеллы) Коллоиды - это тела, превышающие размер отдельных молекул вещества, но, вместе с тем, во много раз меньшие частиц, способ- ных осаждаться в воде под действием силы тяжести. Дисперсные системы, в которых преобладает дисперсионная среда, носят название коллоидных растворов (систем). Для суще- ствования коллоидной системы необходимо поддержание таких ус- ловий, при которых бы сохранялась некоторое время достигнутая степень дисперсности, в противном случае может произойти рас- творение частиц либо их слипание и выпадение в осадок. Поэтому коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя и геля. Гелем называется твердое вещество, образующееся в результате выпадения в осадок из коллоидного раствора твердой дисперсной фазы, т.е. коагуляции. Золем называют систему, представляющую собой жидкость, в которой рассеяны коллоидные частицы грунта. Коллоидные системы разделяются на две группы: обратимые и необратимые. Обратимой является система, в которой осадок при соприкос- новении с водой снова переходит в золь, необратимой - в которой осадок не переходит в золь. Процесс перехода сухого осадка в золь называется пептизацией. Процессы коагуляции и пептизации связаны с наличием элек- трического заряда в коллоидных частицах - мицеллах (рис. 10.1). 62 По теицшоопкделяют ионы неполжныи слои (АДсотионныи) ионов Двойной шктр1 ческий слой Диффузный CJ Рис. 10.1. Схема строения частицы отрицательно заряженного коллоида Мицелла состоит из ядра, на поверхности которого находится не- подвижный слой положительно или отрицательно заряженных ионов внутренняя обкладка. Этот слой определяет электрический заряд, вследствие чего частица притягивает из окружающей среды проти- воположно заряженные ионы. Этот слой носит название адсорбци- онного. Адсорбционный слой и внутренняя обкладка образуют не- подвижную часть двойного электрического слоя. Далее вокруг час- тицы располагается диффузный слой ионов, состоящий из проти- воположно заряженных ионов и молекул окружающей среды. Коллоидные системы, способные связывать воду на поверхности твердых частиц дисперсной фазы, носят название гидрофильныхj коллоидные системы, частицы которых слабо взаимодействуют с водой, т.е. отталкивают воду, - гидрофобных. Грунтовые коллоиды преимущественно относятся к гидрофильным. Свойство грунтов поглощать из водных растворов содержащиеся в них вещества называют поглотительной (адсорбционной) спо- собностью. Процесс поглощения грунтом состоит из нескольких совместно протекающих процессов (физических, химических, биологических), в результате которых происходит изменение состава, состояния и свойств грунтов. Различают: механическую, физическую, химиче- скую, физико-химическую и биологическую поглотительные спо- собности грунтов. 10.3. Поглотительная способность грунтов 63 Механическая поглотительная способность позволяет задер- живать частицы, взвешенные в фильтрующейся через них воде. Та- кое поглощение наблюдается, когда размеры фильтрующихся частиц больше размеров пор или мелкие частицы попадают в замкнутые или искривленные поры, в результате чего происходит их заиливание. Физическая поглотительная способность дает возможность поглощать из водных растворов или суспензий некоторые вещества вследствие молекулярного взаимодействия, возникающего между ними и грунтовыми частицами. При физическом поглощении по- глощаемое вещество химически не взаимодействует с грунтовыми частицами, при этом оно располагается только на поверхности час- тиц или же распределяется по всему объему, образуя твердый рас- твор. В первом случае процесс называется адсорбцией (поверхно- стное физическое поглощение), во втором абсорбцией (объемное физическое поглощение). Физическое поглощение фунтов связано с наличием свободной поверхностной энергии на поверхности фунтовых частиц, соприка- сающихся с водой или водным раствором, и явлениями поверхност- ного натяжения. Вещества, понижающие поверхностное натяжение и повышающие концентрацию раствора, вызывают явление положи- тельной адсорбции, а вещества, повышающие поверхностное натя- жение и уменьшающие концентрацию раствора, - отрицательно» адсорбцией. При положительной адсорбции поглощаются молекулы растворенного вещества, при отрицательной - растворителя (молеку- лы воды). Следовательно, образование связанной воды в грунтах оп- ределяется их физической поглотительной способностью. Адсорбцш молекул воды из атмосферы приводит к образованию гифоскопиче- ских водных пленок на поверхности грунтовых частиц. Адсорбция органических соединений из битумных материалов придает грунтам несмачиваемость водой, т.е. гидрофобность. Химическая поглотительная способность грунтов способст- вует образованию нерастворимых или малорастворимых соедине- ний при взаимодействии грунта с растворенными в воде вещества- ми. Образовавшиеся нерастворимые соединения выпадают из рас- твора в осадок и примешиваются к твердой фазе грунта. При хими- ческом поглощении в отличие от физического поглощаемое веще- ство взаимодействует с поглощающими его частицами, образуя но- вое соединение. 64 Физико-химическая (обменная) поглотительная способность позволяет грунтам поглощать некоторое количество ионов из вод- ного раствора, окружающего грунтовую частицу, с одновременным выделением в него эквивалентного количества ионов, входящих в состав адсорбционных пленок или участвующих в строении кри- сталлической решетки. При обработке глинистого грунта раствором СаС12 часть ионов кальция исчезает из раствора, но при этом обна- руживаются другие катионы: Mg++, Na+, К+, суммарное количество которых эквивалентно количеству исчезнувшего Са (рис. 10.2). L { M F \ Mq+ ; К + ) эквивалентно Z ( G q + + ) Рис. 10.2. Схема физико-химической поглотительной способности Относительная способность того или иного иона вытеснять ад- сорбированные ионы, а самому занимать его место, определяется энергией поглощения: Fe+++ > АГ++ >H f > Са++ > Mg++ >К+ > NH/ > Na+. Биологическая поглотительная способность - это обогащение грунта веществами, накапливаемыми в процессе жизнедеятельности макро- и микроорганизмов. Вопросы для самопроверки 1. Дайте характеристику гетерогенной системе. 2. Как называется частица, большая молекулы, но меньшая час- тиц, способных осаждаться в воде под действием силы тяжести? 3. Что такое дисперсная система? 4. На сколько групп разделяются коллоидные системы? 5. Что такое процесс пептизации? 65 6. Начертите схему мицеллы. 7. Что такое гидрофильные частицы? 8. Сколько Вы знаете видов поглотительной способности грунтов? 9. В результате какой поглотительной способности происходит заиливание грунта? 10. Объясните схему физико-химической поглотительной спо- собности. 11. ВОДА В ГРУНТАХ 11.1. Происхождение подземных вод Благодаря энергии Солнца с поверхности Земли в атмосферу ежегодно поднимается > 500 тыс. км3 воды. Только с поверхности океана испаряется 411 тыс. км3 воды, из них 2/3 в виде атмосфер- ных осадков возвращается обратно в океан, а 1/3 уносится ветром насушу (рис. 11.1). Кои&енсоиия / Осажен / / I I T T Испарение ^ ^ Щ ь Ш Ш ^ Водоупорный ГОРИЗОНТ Окедн Рис. 11.1. Схема круговорота воды в природе Моря, озера, реки занимают 71% площади Земли. Если бы вода была распределена по поверхности Земли равномерно, она бы по- крыла земной шар слоем 2700 м. Примерно 1/50 часть суши зани- мают озера с пресными и солеными водами. Во всех озерах нашей планеты в 5,0 тыс. раз меньше воды, чем в океанах и морях, а в рс- 66 ках ее в три раза больше, чем в озерах. Объем суши, поднимающей- ся над уровнем моря, составляет лишь 1/18 объема океана. К под- земным водам относятся все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности земли и дна поверхностных водоемов и водотоков. Подземные воды заполняют свободные пустоты в горных породах. По происхождению подземные воды подразделяются на инфиль- трационные, конденсационные, седиментационные, ювениальные. Инфильтрационные воды возникают вследствие выпадения ат- мосферных осадков. Конденсационные воды связаны с процессами пополнения под- земных вод в пустынных областях за счет конденсации паров воды, содержащихся в воздухе. Седиментационные воды возникают за счет отжатая воды из горных пород при их уплотнении. Ювениальные воды проникают в поверхностные горизонты зем- ной коры из недр Земли. Поверхностная зона земной коры подразделяется на две зоны - аэрации и насыщения. Зона аэрации характеризуется заполнением пустот и пор в поро- дах воздухом. В этой зоне различаются следующие горизонты: 1) с почвенной влагой; 2) с временными, обычно сезонными, вода- ми; 3) капиллярной оболочки. Горизонт почвенной влаги характеризуется отсутствием в нем свободной воды. В толще грунта вода может находиться в следую- щих состояниях: водяного пара, гигроскопическом, пленочном, гра- витационном (свободном), твердом (в виде льда). Парообразная вода находится в зоне аэрации в порах, не заня- тых водой, и движется вследствие различия упругости паров. Гигроскопическая вода прочно связана с поверхностью частиц. Она не может передвигаться с частицы на частицу и переходит в пар, лишь отрываясь от частицы. Пленочная вода образует на поверхности частиц пленку, тол- щина которой зависит от состава и крупности частиц. Пленочная вода передвигается с частицы на частицу из участков с большей толщиной пленки в участки с меньшей. Свободная гигроскопическая вода в зоне аэрации находится в виде капиллярно-подвешенной воды либо медленно передвигается вниз (просачивается) и доходит до уровня грунтовых вод. 67 Горизонт капиллярной оболочки связан с грунтовыми водами, и породы здесь находятся в состоянии капиллярного насыщения. Капиллярная вода является переходным типом между связанной и свободной. Она передвигается в капиллярных порах снизу вверх под влиянием подъемной силы, развивающейся в вогнутом мени- ске. Такая вода подразделяется на капиллярно-подвешенную и соб- ственно капиллярную. Капиллярно-подвешенная вода не сообщает- ся с уровнем грунтовых вод и удерживается капиллярными силами. Собственно капиллярная сообщается с уровнем грунтовых вод. В зоне насыщения породы находятся в состоянии полного водо- насыщения. Подземные воды в зоне насыщения подразделяются на грунтовые (безнапорные), карстовые, артезианские (напорные). 11.2. Положения уровня стояния грунтовых вод Грунтовые воды образуют первый от поверхности постоянно существующий водоносный горизонт, в основании которого зале- гают глинистые водоупорные породы. Сверху грунтовые воды ог- раничены свободной поверхностью, называемой зеркалом, которая разграничивает пласт породы на две зоны - аэрации и насыщения. Наличие свободной поверхности фунтовых вод определяет их без- напорный характер. Когда зеркало горизонтальное, фунтовые воды образуют грунтовый бассейн. Однако чаще всего поверхность грунтовых вод имеет наклон, и образуется поток грунтовых вод, который определяется расположением гидроизогипс (рис. 11.2). Л 15 16 19 Линии ТОКА Гидроиъогипсы/ • Z B Рис. 11.2. Схема течения подземных вод Гидроизогипсы - это горизонтали, соединяющие точки верха водоупорной породы с одинаковыми уровнями. Течение грунтовых вод происходит по нормали к гидроизогипсам. Грунтовые воды пи- 68 таются за счет инфильтрации в толщу атмосферных осадков вод из рек, озер и водохранилищ и подпитывания напорными водами из более глубоких горизонтов. Схематическая норма залегания уровня грунтовых вод на терри- тории Беларуси в соответствии с РСН 14-76 приведена на рис. 11.3. - 0...1 м Рис. 11.3. Схематическая карта залегания уровня фунтовых вод Вопросы для самопроверки 1. Какие воды относятся к подземным? 2. На какие виды подразделяются подземные воды по происхож- дению? 3. Что представляет собой зона аэрации? 4. В каких состояниях может находиться вода в толще фунта? 5. Как передвигается пленочная вода? 6. Что такое капиллярно-подвешенная вода? 7. На какие зоны разграничивается пласт породы зеркалом грун- товых вод? 8. Что такое гидроизогипса? 69 9. Какова максимальная и минимальная глубина залегания грун- товых вод в Беларуси? 10. Как происходит движение гигроскопической воды? 12. ФОРМЫ СВЯЗЕЙ ВОДЫ В ГРУНТАХ В зависимости от характера связи со скелетом грунта вода, со- держащаяся в грунтах, подразделяется на: 1) парообразную; 2) воду, химически или физически связанную; 3) свободную, которую можно подразделить, в свою очередь, на капиллярную, иммобилизованную и гравитационную; 4) воду в твердом состоянии. Парообразная вода под влиянием изменения температуры и давления может переходить в капельно-жидкое состояние, т.е. кон- денсироваться. Химически связанная вода - это вода, входящая в состав мине- ралов. Она подразделяется на конституционную, кристаллизацион- ную и цеолитную. Конституционная вода - это вода, входящая в состав кристал- лической решетки минералов в виде ионов Н* и ОН", участвующая в их строении. Например: Са(ОН)2. Кристаллизационная вода - это вода в строго определенном количестве, участвующая в строении минералов, в виде молекул воды. Например, гипс CaS04 • 2Н20. Цеолитная вода - это часть кристаллизационной воды, которая может выделяться и вновь поглощаться без разрушения кристалли- ческой решетки. Цеолиты - это водные алюмосиликаты, общая формула которых: (Ыа2Са)0А120з • nSi02 • mH20, причем m может изменяться от 1 до 8 [11]. Физически связанная вода - это вода, удерживаемая на поверх- ности минеральных частиц силами, имеющими электрическую при- роду (рис. 12.1). Минеральная частица заряжена отрицательно, а молекула воды представляет собой диполь, заряженный положительно на одном и отрицательно - на другом конце молекулы. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электромолекуляр- ные силы, которые притягивают диполи воды к поверхности ч а с т и ц ы 70 с огромной силой. По мерс удаления от частицы эти силы убывают и становятся близкими к нулю. Самые близкие к частице слои (1-3 ряда молекул) образуют пленки прочносвязанной воды, что сопровожда- ется энергетическим эффектом с выделением до 42 Дж на 1 г воды. Следующие слои молекул воды будут связываться все меньшими силами по мере удаления и образуют слойрыхлосвязанной воды. Свободная вода не подвержена действию молекулярных сил. Ино- гда она может быть заключена в замкнутых пустотах и находиться в состоянии покоя. Такую воду называют иммобилизованной. Влагоемкостью называют способность вмещать и удерживать в себе определенное количество воды при возможности свободного ее вытекания под действием силы тяжести. По степени влагоемкости горные породы подразделяются на: 1) очень влагоемкие (торф, глина, суглинки); 2) слабовлагоемкие (супеси, мелкозернистые пески); 3) невлагоемкие (скальные, крупнозернистые пески). Различают влагоемкость: капиллярную, максимально молеку- лярную и гигроскопическую. рбОЛОЧ Слой С6ЯЗАНН0Й h-- bOfl-bj ' \П МмнеРАЛЬняя чястццд Рис. 12.1. Схема электромолекулярного взаимодействия минеральной частицы с водой 12.1. Влагоемкость и водопроницаемость 71 Капиллярная ел агоем к ост ь характеризуется влажностью грун, та, соответствующей полному заполнению капиллярных пор водой. Максимальную высоту и скорость поднятия воды определяют в специальных приборах - капилляриметрах Г.Н.Каменского. Пре- дельная высота подъема воды (в м) для различных типов грунтов составляет: песок крупнозернистый - 0,02... 0,03; песок среднезернисгый - 0,12...0,35; песок мелкозернистый - 0,35... 1,2; супесь - 1,2... 3,5; суглинок - 3,5... 6,5; глина - 6,5... 12,0. Максимальная молекулярная влагоемкость - это максималь- ное количество пленочной воды (включая гигроскопическую), удерживаемое грунтом. Для чистых песков она составляет 3...4%, для глинистых - до 39...41%. Определяется методами центрифуги- рования, влагоемких сред и высоких колонн. Метод центрифугирования заключается в удалении из образца избытка воды путем воздействия на нее центробежной силы, разви- ваемой центрифугой. Метод влагоемких сред основан на удалении из образца грунта воды с помощью гидрофильного материала. Метод высоких колонн заключается в удалении избытка воды путем свободного истечения ее из образца грунта, помещенного в стеклянную трубку. Гигроскопическая влагоемкость - это количество воды, погло- щаемое грунтом с выделением тепла. Для чистых песков она со- ставляет доли процента, для глинистых доходит до 18%. Гигроско- пическая влагоемкость определяется путем высушивания образца грунта до постоянного веса при температуре 105°С. Водопроницаемостью грунта называется его способность про- пускать через свою толщу воду. Она характеризуется коэффициен- том фильтрации, определяемым по ГОСТ 25584-90. Формула для определения коэффициента фильтрации 864-h К.0 = <р ш t - T ' S 4 ч Н о у , м/сут, (12.1) 72 где 864 - переводной коэффициент из см/с в м/сут ; h - высота образца, см; t - время падения уровня воды, с; Т - (0,7 + 0,03 Тф) - температурная поправка; Тф - фактическая температура, °С; S - наблюдаемое падение уровня воды в пьезометре, см; Но - начальный напор, см; КС - безразмерный коэффициент, определяемый по таблицам. 12.2. Водопоглоидение и водонасыщение Способность грунтов поглощать воду характеризуется водопо- глощением и водонасыщением. Водопоглощением называется способность грунта поглощать (впитывать) и удерживать воду при обычных условиях. Водонасыщение - это способность грунта максимально погло- щать воду при вакууме или под давлением (до 150 атм.) Количественно водопоглощение соответствует объему широких открытых пор, а водонасыщение - объему всех открытых пор. Отно- шение величины водопоглощения к величине водонасыщения назы- вается коэффициентом водонасыщения. Он определяет, какую часть общего объема пор составляют широкие поры, а также являет- ся косвенным показателем морозостойкости грунтов. Если коэффи- циент водонасыщения - меньше 0,8, грунт является морозостойким, т.к. при замерзании вода может увеличиваться в объеме за счет узких пор, оставшихся не заполненными сю. Если коэффициент водонасы- щения - больше 0,8, фунт неморозостоек, и происходит его пучение. Вопросы для самопроверки 1. Что такое химически связанная вода и как она подразделяется? 2. Какая вода входит в состав гипса? 3. Объясните схему электромолекулярного взаимодействия ми- неральной частицы с водой. 4. Дайте характеристику иммобилизованной воды. 5. Какие грунты относятся к слабовлагосмким? 73 6. Какими методами можно определить максимальную молеку- лярную влагоемкость? 7. Напишите формулу для определения коэффициента фильтра- ции песчаного грунта. 8. Что такое водонасыщение и чем оно отличается от водопо- глощения? 9. Что показывает коэффициент водонасыщения? 10. Каким образом коэффициент водонасыщения характеризует морозостойкость породы? 13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ 13.1. Физические свойства грунтов Физические свойства грунтов можно подразделить на общие фи- зические, физико-механические, водные и тепловые. К общим физическим свойствам относятся плотность частиц сухого и влажного грунта, пористость, удельная поверхность. К физико-механическим свойствам относятся прочность и дефор- мативность, пластичность, липкость, усадка, набухание, связность. К водным свойствам грунтов относятся водоудерживающая, водопропускная (водопроницаемость) и водоподъемная (капилляр- ная) способности. Тепловые свойства грунта выражаются через теплоемкость, те- плопроводность и теплопоглотительную способность. Все физические характеристики грунта можно разделить на два класса: I класс - показатели прочности и деформируемости грунтов, оп- ределяемые на образцах с ненарушенной структурой; II класс - показатели, характеризующие состав и состояние грун- та, определяемые на образцах нарушенной структуры. Главными показателями второго класса являются состав, состоя- ние и показатели консистенции глинистых грунтов. Состав грунтов характеризуется минералогическим, петрогра- фическим, химическим и гранулометрическим составами. Состояние грунтов характеризуется влажностью, плотностью и пористостью. 74 Консистенция - это показатель числовой характеристики со- стояния глинистой породы по влажности. Определяется по выраже- нию, приведенному в 6.3 для показателя текучести. 13.2. Понятие о зерновом и микроагрегатном составе грунтов Зерновым составом называется относительное содержание по массе частиц грунта различной крупности, выраженное в процентах к общей массе сухого грунта. В зависимости от размеров частицы грунта разделяют на отдель- ные группы, называемые фракциями. Для определения состава грун- та необходимо провести гранулометрический анализ, заключаю- щийся в разделении грунта на фракции, каждая из которых включает все частицы между установленными для данной фракции минималь- ным и максимальным размерами. Затем фракции взвешивают и рас- считывают процентное содержание в общей массе навески. Микроагрегатный состав отражает степень агрегирования грун- та и характеризует структурные связи в нем. Понятие микросгроения относится к глинистым лессовым породам, содержащим глинистые минералы и органическое вещество в виде гумуса. Такие частицы редко существуют изолированно, обычно они образуют микроагрега- ты различной прочности. Поэтому перед производством грануломет- рического анализа необходимо эти агрегаты разрушить. Способы определения гранулометрического состава объединя- ются в две группы: прямые и косвенные. Прямые способы объединяют методы непосредственного изме- рения частиц. К ним относятся: ситовой, пипеточный и метод А.Н. Сабанина. Ситовой метод применяется для частиц диаметром >0,1 мм. Он заключается в просеивании г рунта через набор стандартных сит с различной величиной отверстий. Пипеточный метод основан на учете скорости падения частиц в жидкой среде. Применяется для определения в пылеватых и гли- нистых грунтах фракций: 0,05... 0,01 мм; 0,01... 0,005 мм - пылеватые частицы; 0,005... 0,001 мм; < 0,001 мм - глинистые частицы. 75 По закону Стокса перемещение шарообразных частиц в воде под влиянием силы тяжести составляет 2 f V = cr2 = - g r 2 9 ч P s - P w л (13.1) где с - константа Стокса; г - радиус частицы, см; ps - плотность частиц грунта, г/см3; p w - ПЛОТНОСТЬ ЖИДКОСТИ (рводы = 1), г/см3; Г| - вязкость жидкости (для воды Г| = 1... 1,1), пуазы. Из грунта приготавливают суспензию. Затем с определенной глу- бины через различные промежутки времени отбирают пробы, высу- шивают и взвешивают. Зная массу и размер отобранных частиц, вы- численных по длительности отстаивания суспензии и глубине взятия пробы, производят расчет содержания частиц во всем объеме. Метод А.Н.Сабанина (метод отмучивания) применяется для оп- ределения фракций: > 0,5 - крупный песок; 0,5... 0,25 мм - средний песок; 0,25... 0,1 мм - мелкий песок; 0,1... 0,05 мм - пылеватый песок; 0,05... 0,01 мм; < 0,01 мм - пыль. Этот метод также основан на разделении по скорости падения частиц. Его технология следующая: взмучивание - отстаивание - сливание. Таким образом удаляются частицы, не осевшие на дно со- суда. Метод А.Н.Сабанина отличается от пипсточного тем, что взму- чивание и сливание производятся многократно, а в пипеточном - только один раз. Косвенные методы заключаются в оценке состава грунта по косвенным признакам. К ним относятся ареомстрический, метод С.И.Рутковского и визуальный. Ареометры ческий метод основан на измерении ареометром плотности отстаиваемой суспензии. Чем больше твердых взвешен- ных частиц в суспензии, тем выше ее плотность. Метод пригоден для анализа глинистых грунтов. 76 Метод С.И.Рутковского позволяет выделить три основные группы фракций: песчаную, пылеватую и глинистую. Содержание песчаной фракции определяется методом отмучива- ния, заключающимся во взбалтывании грунта в столбике воды оп- ределенной высоты. Отмучивание производится до тех пор, пока вода над грунтом не станет прозрачной. Содержание глинистой фракции устанавливается по величине набухания глинистых частиц в воде. Зависимость между объемом анализируемого грунта и вели- чиной набухания выражается формулой Г = 22,67 • Н , %, (13.2) где Г - содержание глинистых частиц, %; Н - прирост объема грунта на 1 см3 первоначально взятого объе- ма грунта. Содержание пылеватых частиц определяется по разности между 100% и суммой процентов песчаной и глинистой фракций. Визуальный метод основан на субъективной оценке качеств грунта в результате глазомерного обследования и сравнения от- дельных свойств с типовыми. Вопросы для самопроверки 1. Какие свойства грунтов относятся к общефизическим? 2. Какие показатели характеризуют состояние грунта? 3. Чем отличаются зерновой и микроагрегатный составы? 4. Каким прямым методом определяется гранулометрический со- став, если частицы имеют размер > 0,1 мм? 5. Напишите закон Стокса и расшифруйте его составляющие. 6. Чем отличается метод А.Н.Сабанина от пипеточного? 7. Какие методы относятся к косвенным? 8. Как называется метод, основанный на измерении плотности грунтового раствора? 9. Как определить пылеватые фракции грунта методом С.И.Рут- ковского? 10. В чем заключается визуальный метод? 77 14. ПОКАЗАТЕЛИ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ ГРУНТОВ 14.1. Плотность грунтов В соответствии со строительными нормами СН 528-80 для харак- теристики грунта применяются следующие виды плотности: плот- ность грунта, плотность сухого грунта и плотность частиц грунта. Плотность грунта - масса единицы его объема. Этот показа- тель характеризует грунт во влажном состоянии. В численном вы- ражении представляет собой отношение массы влажного грунта к его объему, включая поры, заполненные водой и воздухом: где Ш| - масса грунта с кольцом и пластинками, г; ш0 - масса кольца, г; Шг - масса пластинок, г. Определяется эта характеристика по методике, изложенной в ГОСТ 5180-84,с помощью режущего кольца. Плотность дисперсных грунтов колеблется в пределах от 1,2 до 2,4 г/см3. Показатель р применяется при расчетах: 1) устойчивости склонов и откосов; 2) давления земли на подпорную стенку; 3) величины осадки сооружений; 4) допускаемого давления на грунт и др. Плотность сухого грунта - это отношение массы сухого грун- та (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (включая имеющиеся в грунте поры): (14.2) где р - плотность грунта, г/см3; W - влажность грунта, %. 78 Наиболее вероятные значения максимальной плотности сухого грунта для различных категорий: песка - 1 , 8 г/см3; супеси - 1,7... 2,0 г/см3; суглинка - 1,5... 1,8 г/см3; глины - 1,5 г/см3. Плотность частиц грунта - это масса единицы объема твер- дых частиц грунта. Определяется из выражения ГПэ , , p s = Pw,r/CM3, (14.3) rrij + ггц + 1П5 где Шз - масса сухого грунта, г; пи - масса пикнометра с водой, г; Ш5 - масса пикнометра с грунтом и водой, г; pw - плотность воды, pw = 1,0 г/см3. Плотность частиц грунта определяется пикнометрическим мето- дом по ГОСТ 5180-84. Средние значения плотности частиц отдельных видов грунтов приведены в табл. 14.1. Т а б л и ц а 14.1 Наиболее вероятные значения плотности частиц грунта Грунты Среднее значение ps, г/см3 Наиболее часто встре- чающиеся ps, г/см3 Грунты Среднее значение Ps, г/см3 Наиболее часто встре- чающиеся р„ г/см3 Пески 2,66 2,65... 2,67 Глины 2,74 2,71...2,76 Супеси 2,70 2,68...2,72 Чернозем 2,50 2,40...2,60 Суглинки 2,71 2,69...2,73 Торф 1,60 1,50...1,80 14.2. Пористость грунтов Пористость - это отношение объема пор в грунте к общему объему, занимаемому грунтом. Пористость может быть выражена через плотность частиц и плотность сухого грунта: п = 1 - — . Psy 100,%. (14.4) 79 I Численные значения пористости для различных видов грунтов приведены в табл. 9.1. Для одного и того же грунта пористость не является постоянной величиной. Она зависит от взаимного распо- ложения в нем частиц и микроагрегатов и уменьшается при увели- чении давления на грунт. При инженерных расчетах вместо пористости используется ко- эффициент пористости, представляющий собой отношение объ- ема пор к объему твердой фазы, выраженное в долях единицы или через плотность грунта: е = ^ Р ; е = (14.5) VT pd где Vnop - суммарный объем всех пор, см1; VT - объем твердой фазы грунта, см3; р8 - плотность частиц грунта, г/см3; Pd - плотность сухого грунта, г/см3. Классификация песков по плотности представлена в табл. 14.2. Т а б л и ц а 14.2 Классификация песков по плотности Наименование песчаных грунтов Плотность сложения грунтов плотные средней плотности рыхлые Пески гравелистые, крупные и средней крупности е < 0,55 0,55 <е<0,70 е > 0,70 Пески мелкие е < 0,60 0,60 < е < 0,75 е > 0,75 Пески пылеватые е < 0,60 0,60 < е < 0,80 е > 0,80 При оценке пригодности песчаных грунтов в качестве основания инженерных сооружений определяют относительную плотность, которую вычисляют по формуле р = сшах ~ е = n m a x - n ( 1 0 ° - n m i n ) ( 1 4 б ) е т а х " emin (nmax ~ "min)' О 0 0 ~ п ) ' 80 где Птах» етах - пористость и коэффициент пористости в самом рых- лом состоянии; n; е - пористость и коэффициент пористости в естественном со- стоянии; Wsdm, Cmin - пористость и коэффициент пористости в самом плот- ном состоянии. В зависимости от относительной плотности песок классифици- пуют следующим образом: р < 0,33 - рыхлый; 0,33 ^ D < 0,67 - средней плотности; 0,67 < D < 1,00 - плотный. Степень уплотнения грунтов в дорожном строительстве оцени- вают с помощью коэффициента стандартного уплотнения, представляющего собой отношение плотности сухого грунта в его естественном залегании к плотности того же грунта при стандарт- ном уплотнении: Ку (14.7) Pdmax В настоящее время при применении высокоэффективных машин для уплотнения плотность грунта в насыпи земляного полотна ав- томобильной дороги получают большую, чем в резерве. Если при приемке земляных работ обмер производят по объему грунта в вы- емке или в резерве, необходимо использовать коэффициент отно- сительного уплотнения грунта, представляющий собой отноше- ние плотности сухого грунта в насыпи ра Нас к тому же показателю в резерве рарез: К о т н у = ^ - . (14.8) Pdpe3 Численные значения коэффициента относительного уплотнения приведены в табл. 14 СНиП 2.05.02-85. 81 14.3. Влажность грунтов Влажность - это количество воды, содержащейся в порах груи та, выраженное в % от массы грунта, высушенного до постоянна массы при температуре 105°С: W = m 6 ~ m 7 .Ю0,%, (14.? Шу — Ш§ где Шб - масса бюксы с влажным грунтом, г; Ш7 - масса бюксы с сухим грунтом, г; mg - масса пустой бюксы. Определенную таким путем влажность называют весовой, а спо соб ее определения - весовым. Общая влажность, которую имекг грунты в естественным залегании, называют естественной в лаж ностью. В естественных условиях естественная влажность не всегд соответствует полной влагоемкости. Поэтому для характеристик! физического состояния грунтов помимо абсолютной влажности не обходимо знать степень заполнения пор водой. Для этого опреде ля ют степень влажности: W S r = , (14.10 W "max где W - естественная влажность грунта; Wmax - полное водонасыщение. По степени влияния на физико-механические свойства грунп различают влажность недостаточную, оптимальную, избыточную е вредную (рис. 14.1). Недостаточная влажность колеблется от гигроскопической до максимальной молекулярной влагоемкости. Оптимальная влажность находится в интервале между макси- мальной молекулярной влагоемкостью и границей раскатывания. При уплотнении грунта, имеющего оптимальную влажность, по- лучают максимальную плотность. 82 1,70 1.65 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30 10 Ik 18 22 26 30 ЪЧ 38 42 W , % Рис. 14.1. Изменение консистенции и плотности суглинистого грунта Значения оптимальной влажности приведены в табл. 14.3. Т а б л и ц а 14.3 Значения оптимальной влажности Грунты Значения оптимальной влажности (% массы грунта) Крупноблочные: щебеночные 3...5 дресвяные 5...7 Песчаные: гравслистые 4...6 крупные 6...8 средней крупности 7...9 Песчаные мелкие и пылева- 8...10 тые, мелкие одномерные Супеси Суглинки легкие Суглинки тяжелые Глины 8...14 12...16 16...22 18...26 83 Избыточная влажность колеблется от предела раскатывани до предела текучести. При этой влажности грунт приобретает го вышенную липкость. Опасная (вредная) влажность соответствует влажности выш предела текучести. 14.4. Методы определения Метод определения плотности всех грунтов, кроме пылевато-гли нистых, называется методом режущего кольца. Тот же показатель, не для пылевато-глинистых или склонных к крошению грунтов, опреде- ляется путем взвешивания в воде парафинированных образцов. Плотность сухого грунта определяется расчетным путем. Плотность частиц грунта для всех видов, кроме набухающих определяется пикнометрическим методом с водой. Этот же показа- тель для набухающих грунтов определяется пикнометрическим ме- тодом с нейтральной жидкостью. Методы определения всех видов плотности проводятся в соответствии с ГОСТ 5180-84. В полевых исследованиях плотность и влажность можно опреде- лять методами радиоизотопных измерений (ГОСТ 23061-90). Существуют методы, разработанные БелдорНИИ: метод стати- ческой пенетрации и метод динамического зондирования. Для оценки плотности грунтов земляного полотна может слу- жить устройство для ультразвукового прозвучивания (УКБ-1М. УК-10П), основанное на различной скорости прохождения ультра- звуковых волн в зависимости от плотности грунта. Влажность определяется весовым методом путем высушивания образца до постоянной массы (ГОСТ 5180-84). В полевых условиях применяется почвенный влагомер АМ-11, представляющий собой динамомашину, которая разряжается на угольной датчик влажности. Вопросы для самопроверки 1. Сколько видов плотности характеризует грунты земляного по- лотна? 2. Что характеризует плотность частиц грунта? 3. В каких расчетах применяется плотность грунта? 4. Назовите наиболее часто встречающиеся значения плотности частиц грунта для супеси. 84 5. Чем отличается пористость от коэффициента пористости? 6. Напишите формулу для определения относительной плотности. 7. Как характеризует степень уплотнения коэффициент стан- дартного уплотнения? 8. Чем отличаются показатели влажности и степени влажности? 9. Нарисуйте и объясните график изменения плотности суглини- стого грунта в зависимости от влажности. 10. Назовите методы определения плотности грунта. 15. КОНСИСТЕНЦИЯ ГРУНТОВ 15.1. Характерная влажность и пластичность грунтов В зависимости от степени увлажнения глинистые грунты могут находиться в твердом, пластичном или текучем состоянии. Пластичностью грунта называется способность его деформи- роваться под действием внешнего давления без разрыва сплошно- сти массы. Глинистые грунты обладают пластичностью только в пределах определенной влажности. При уменьшении влажности они стано- вятся полутвердыми или твердыми, при увеличении из пластиче- ского состояния переходят в текучее. Для установления способности грунтов принимать пластичное состояние определяют границы текучести и раскатывания. Граница текучести характеризует влажность, при которой грунт из пластичного состояния переходит в текучее. Ее следует определять как влажность пасты, приготовленной из исследуемого грунта, при которой балансирный конус погружается под действием собственного веса за 5 с на глубину 10 мм (ГОСТ 5180-84). Граница раскатывания соответствует влажности, при которой грунт находится на границе перехода из твердого состояния в пла- стичнос. На границе раскатывания он содержит преимущественно связанную воду. Сущность метода определения этой границы со- стоит в определении возможности раскатывания увлажненного гли- нистого грунта в жгут толщиной 3 мм. Границу текучести и границу раскатывания называют верхним и нижним пределами пластичности. 85 Разность между значениями влажностей, соответствующих прс делу текучести и раскатывания, называют числом пластичности. I p = W L - W p . (15.1 По СТБ 943-93 пылевато-глинистые грунты подразделяются га числу пластичности на: супесь — 1 < 1р < 7; суглинок - 7 < 1р < 17; глина - 1р > 17. 15.2. Связанность, липкость и усадка грунтов Связанность грунтов - способность сопротивляться внешнем) усилию, стремящемуся разъединить частицы грунта. По этому при знаку грунты разделяют на связные (глина, суглинки, супеси) и не связные (пески, крупноблочные грунты). Липкость грунтов - способность прилипать к поверхности раз личных предметов, - в частности, рабочих органов дорожных ма шин. Липкость выражается в Па при измерении усилия, необход» мого для отрывания прилипшего предмета от поверхности грунта. Липкость грунтов обусловливается силами взаимодействия, вда никающими между молекулами связанной воды и поверхностьк соприкасающегося с грунтом предмета. Липкость начинает проявляться при влажности, несколько пр« вышающей влажность границы раскатывания, и достигает максиму ма при влажности, несколько меньшей границы текучести (рис. 15.1) 25 30 35 40 45 W. % Рис. 15.1. График зависимости липкости глинистого грунта от влажности 86 Усадка грунта - способность влажных грунтов уменьшать свой объем при высыхании. При усадке происходит не только механиче- ское уплотнение грунта, но и перераспределение его химических компонентов. Величину усадки принято характеризовать по умень- шению линейных размеров или объема образца (рис. 15.2): Рис. 15.2. Схема усадки образца по высоте, диаметру и объему £ь = h - h k . h ' d ' - V - V k (15.2) Характеристики усадки грунта определяются по относительной деформации в условиях свободной трехосной деформации при вы- сыхании грунта. За показатели, характеризующие усадку грунта, принимаются величины усадки по высоте, диаметру или объему. Согласно СТБ 943-93, пылевато-глинистые грунты подразделя- ются на разновидности по относительной просадочности е^: непросадочный б8/ < 0,01; просадочный 8s/ > 0,01. 15.3. Набухание грунтов и вызванные им явления Набухание грунтов - это их способность увеличивать свой объ- ем при увлажнении. Набухание присуще глинистым грунтам, в осо- бенности - состоящим из такого глинистого минерала, как монтмо- риллонит, и в меньшей степени - каолинит. Набухание характеризуется относительной деформацией в усло- виях, исключающих возможность бокового расширения при насы- щении грунта водой или химическим раствором (рис. 15.3), по ГОСТ 24143-80: 87 A h _ h k - h h ~ h _ "k (15.3) Рис. 15.3. Схема набухания грунта без возможности бокового расширения Следует учитывать, что в глинистых грунтах с нарушенной структурой набухание больше, чем с ненарушенной. Согласно СТБ 943-93, пылевато-глинистые грунты имеют разно- видности по относительному набуханию без нагрузки esw. Грунт считается: ненабухающим - при Esw < 0,04; слабонабухающим - при 0,04 < esw < 0,08; средненабухающим - при 0,08 < esw < 0,12; сильнонабухающим - при esw >0,12. Относительное набухание есть отношение абсолютного набу- хания к начальной высоте образца. Определяется на приборе ПНЗ-2 с помощью индикаторов. С набуханием грунтов в дорожном строительстве связано такое явление, как пучинообразование. Пучины - сложный процесс, включающий увеличение объема грунта за счет подтока и замерзания воды, заполнившей поры грунта, с одновременным набуханием глинистых минералов, приводящий к деформациям дорожных одежд и земляного полотна, который про- является во взбугривании и потере ровности покрытия. Во время зимнего взбугривания прочность грунта увеличивается (рис. 15.4). При весеннем повышении температур вода, находящаяся в порах грунта, оттаивает и перенасыщает грунт, что ведет к потере его прочности. Под действием статической и динамической нагрузок в этом месте происходит осадка грунта, ведущая к образованию про- ломов в дорожных одеждах. Морозоустойчивость дорожной конст- рукции на территории Республики Беларусь будет обеспечена, если общая толщина одежды из материалов, не изменяющих прочност- ных свойств при промерзании, будет не менее: 88 50 см - на юге республики; 70 см - в центральной части; 80...90 см - в северных районах. Рис. 15.4. Схема образования проломов на дорожной конструкции: а) зимнее взбугривание; б) весеннее оттаивание Характеристикой морозного пучения является относительное чорозное пучение, представляющее собой отношение величины тучения к глубине промерзания грунта: k n y 4 = 4 r l 0 0 > % , <15-4) Ж-* •де Ah - высота пучения, см; Z - глубина промерзания, см. В обычных условиях величина морозного пучения составляет примерно 10% от глубины промерзания. Величину морозного пучения глинистых грунтов можно опреде- гать по формуле В.М.Соколовой: Ah = m • (w - к в • Wp)- Z , см, (15.5) где m - эмпирический коэффициент пучинистости (для супеси л = 0,25, суглинков m = 0,20... 0,22, глин ш = 0,15); W - естественная влажность в долях единицы; 89 к„ - поправочный коэффициент, принимаемый по СН 91-60 да температуры -4°С, при которой льдообразование наиболее инте» сивно; Wp - влажность на границе раскатывания; Z - глубина промерзания, см. При влажности грунта, достигающей максимальной молскуляр ной влагоемкости (0,46 Wl), пучения пылеватой супеси и пылевато го суглинка не наблюдается. При влажности менее оптимальной (0,62 Wl) пучение не превы шает 1%, и грунт считается непучинистым. При относительной влажности (0,63...0,76) WL ДЛЯ пылеваты) супесей и (0,62...0,72) Wl для пылеватых суглинков относительна морозное пучение достигает предельно допустимых значений. Вопросы для самопроверки 1. Что характеризует пластичность грунта? 2. Как определяется граница текучести? 3. Чему равно число пластичности для суглинков? 4. При каком значении влажности липкость имеет максимальное значение? 5. К какой категории по связанности относятся пески? 6. Дайте характеристику усадке грунта. 7. За счет чего происходит набухание грунта? 8. Что такое пучина? 9. Какой должна быть максимальная толщина дорожной одежды в центральных регионах республики? 10. Напишите выражение для определения относительного мо- розного пучения. 16. ТИПЫ ГРУНТОВ, РАСПРОСТРАНЕННЫХ НА ТЕРРИТОРИИ БЕЛАРУСИ 16.1. Подразделение грунтов по происхождению По происхождению и условиям формирования грунты бывают двух видов: континентального и морского отложения. К грунтам континентального отложения относятся элюви- альные, делювиальные, аллювиальные, ледниковые и эоловые от- ложения (рис. 16.1). 90 Рис. 16.1. Схема образования грунтов Элювиальные отложения залегают на месте своего первоначального образования и отличаются угловатой нсокатанной формой частиц. Делювиальные отложения располагаются на склонах тех же воз- вышенностей, где они возникли в результате перемещения под воз- действием силы тяжести, дождевых и снеговых вод. Аллювиальные отложения переносятся водными потоками на значительные расстояния от мест их первоначального залегания. Этим отложениям свойственны слоистость, чередование песчаных и глинистых слоев. Ледниковые отложения возникли в результате действия леднико- вого покрова. Основные виды грунтов этого происхождения состоят из моренных, водно-ледниковых и озерно-ледниковых отложений. Морены представляют собой отложения из обломков горных пород различной крупности, скапливающихся в придонной части ледника и уплотненных его весом. Различают морены конечные и основные. Конечные морены представлены валунами, гравием, галечника- ми и песками. Основные морены представлены суглинками и супесями с вклю- чениями валунов,гальки,гравия. Водно-ледниковые (флювиогляциальные) отложения - это отло- жения рек и потоков, которые образовались в результате таяния ледников. К ним относятся разнозернистые пески, супеси и пылева- тые суглинки. Озерно-ледниковые отложения представлены ленточными гли- нами, суглинками и супесями. Они характеризуются слоистостью, обусловленной сезонными отложениями. 91 Эоловые отложения являются продуктами физического выветри- вания горных пород пустынных областей, переносимыми воздуш- ными потоками. Особенностью этих отложений является значи- тельное содержание в них пыли. Грунты морского отложения образуются на дне морей за счет материала, переносимого водными потоками. 16.2. Грунты Беларуси Общая площадь Беларуси - 207,49 тыс. км2. 31,5% от общей тер- ритории занимают пахотные земли, 16,7% - естественные кормовые угодья, 35,2% - леса и кустарники; остальная территория, включая населенные пункты, составляет 16,6%. Таким образом, общее коли- чество земель, используемых в сельскохозяйственном производст- ве, достигает 48,2%. Почвоподстилающие породы на территории Беларуси представлены в табл. 16.1 [9]. Т а б л и ц а 16.1 Почвоподстилающие породы на территории РБ № пп Породы Площадь территории, % Распространенность в областях 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 Глины и тяжелые суглинки моренные Глины и тяжелые суглинки озерно-ледниковые Морены конечные Морены основные Лессы и лессовидные суглин- ки и супеси озерно-леднико- вые и водно-ледниковые Супеси песчанистые водно- ледниковые Пески тонкозернистые озер- но-ледниковыс Пески слабовалунные водно- ледниковые 1 1 5 5 19 15 1 14 Витебская Витебская Витебская, Гродненская, Минская Витебская, Гродненская, Минская во всех, кроме Брестской повсеместно Витебская повсеместно 92 Окончание табл. 16.1 1 2 3 4 9 Пески аллювиальные 10 Брестская, Гомельская 10 Пески дюнные (эоловые) 1 Гомельская И Торф низинного типа: 17 Брестская, Гомельская переходного 3 центральная и северная часть республики верхового 2 северная часть респуб- лики 12 Остальные породы (мел, мер- 6 в основном Витебская и гель, известняки делювиаль- Брестская ного отложения) Поскольку фунты используются в дорожном строительстве в качестве основания коммуникационных конструкций для сооруже- ния земляного полотна и сырья для получения дорожно- строительных материалов, они имеют специфическую классифика- цию по гранулометрическим элементам (табл. 16.2) и по основным видам - песчаным и глинистым (табл. 16.3) [12]. Т а б л и ц а 16.2 Гранулометрические элементы грунтов Название Размер частиц, мм Разновидность Размер час- тиц, мм Валун (окатанный) и глыба >200 крупный средний мелкий >800 800... 400 400... 200 Галька (окатанная) и щебень 200... 10 крупная галька (щебень) галька (щебень) мелкая галька (щебень) 200... 100 100...60 60...40 Гравий (окатанный) и дресва 10...2 гравий мелкий гравий 10. .4 4...2 Песок 2...0,05 грубый крупный средний мелкий тонкий 2...1 1 ...0,5 0,5...0,25 0,25...0,1 0,1...0,05 Пыль 0,05...0,005 крупная (грубая) мелкая (тонкая) 0,05...0,01 - 0,01... 0,005 93 Т а б л и ц а 16.3 Классификация глинистых грунтов Тип глинистого Число пла- Разновидность по Содержание песча-ных частиц, % по массе грунта стичности зерновому составу Супесь 1...4 легкая крупная > 50% частиц размером 2...0,25 мм 4 легкая >50 4...7 пылеватая 20...50 4...7 тяжелая пылеватая <20 Суглинок 7...12 легкий >40 7...12 легким пылсватыи <40 12...17 тяжелый >40 12...17 тяжелый пылсватыи <40 Глина 17...27 песчанистая >40 17...27 пылеватая <40 >27 жирная не нормируется Классификация песчаных грунтов представлена в СТБ 943-93. По дорожно-строительной классификации основных категорий грунтов их расположение в укрупненном количественном составе на терри- тории республики представлено на рис. 16.2. Рис. 16.2. Диаграмма распространенности основных видов грунтов на территории РБ 94 Теоретически в дорожном строительстве можно использовать все грунты, однако для отдельных их типов следует предусматри- вать конструктивные и технологические мероприятия по регулиро- ванию водно-теплового режима. Поэтому на практике грунты име- ют ограничения при использовании в дорожных конструкциях. Крупнообломочные и песчаные грунты характеризуются хоро- шей водопроницаемостью. Их применяют как дренирующий мате- риал, гранулометрические добавки или заполнители цементобетона или асфальтобетона. Песок гравелистый, крупный и средней круп- ности относится к непучинистым грунтам, а мелкий песок с содер- жанием частиц мельче 0,05 мм менее 15% - к пучинистым. Песчаные пылеватые грунты мало связаны в сухом состоянии, а при увлажнении плывут. Кроме того, они относятся к категории чрезмерно пучинистых грунтов. Поэтому для устройства земляного полотна их применять нельзя. Супесчаные грунты устойчивы в сухом и влажном состоянии. Широко используются для возведения земляного полотна. Пылеватые супеси в сухом состоянии сильно пылят, а при ув- лажнении плывут, склонны к образованию пучин. В дорожном от- ношении весьма неблагоприятны. Суглинистые грунты отличаются связанностью и незначитель- ной водопроницаемостью. Заметно проявляются пластичность, лип- кость и набухание. В земляном полотне могут применяться, но тре- буют защитных мер. Суглинистые пылеватые грунты являются чрезмерно пучини- стыми, поэтому могут применяться только в сухих местах с приня- тием мер против избыточного увлажнения. Глинистые грунты являются очень пучинистыми, и поэтому не рекомендуются для применения в дорожных сооружениях. 16.3. Дорожно-климатическое районирование Беларуси Формирование грунтовых условий, наличие и активность гидро- геологического режима на данной территории, в первую очередь, зависят от климатических условий региона, влияющих на скорость выветривания и формирование почвенного покрова. Следовательно, наличие определенных видов грунтов связано с климатическими условиями. В дорожном строительстве вся территория СНГ разде- 95 лена на пять дорожно-климатнческих зон [13]. Для европейской части границами этих зон являются следующие: Первая зона (вечной мерзлоты) расположена севернее линии Мончегорск - Сухая Тунгуска. Вторая зона (избыточного увлажнения) расположена к югу от границ первой зоны и Ограничена линией Львов - Житомир - Ниж- ний Новгород. Третья зона (переменного увлажнения) включает лесостепную зону к югу от границ второй зоны до линии Кишинев - Харьков - Оренбург. Четвертая зона (недостаточного увлажнения) расположена к югу от границ второй зоны до линии Степанакерт - Волгоград. Пятая зона (засушливая) находится к югу от границ четвертой зоны. В каждой климатической зоне следует различать западную и восточную части, граница между которыми проходит по линии Ар- хангельск - Астрахань. Для западной части в установленных преде- лах принимаются меньшие значения прочностных показателей, для восточной - большие. В пределах второй дорожно-климатической зоны по РСН 14-76 на территории Беларуси выделены три климатических района (рис. 16.3). Рис. 16.3. Дорожно-юшматическое районирование РБ 96 Первый район - северный, влажный. Расположен севернее ли- нии Поставы - Борисов - Кричев. Климат прохладный, средняя го- довая температура воздуха 4,4...5,3°С, годовое количество осадков - 750...860 мм. Второй район - центральный, умеренно-влажный. Расположен к югу от границ первого до линии Щучин - Старобин - Гомель. Климат мягкий, средняя годовая температура 5,3...6,5°С, годовое количество осадков - 650...750 мм. Третий район - южный, неустойчиво влажный, климат теплый, средняя годовая температура 6,5...7,4°С, годовое количество осад- ков- 600...650 мм. Вопросы для самопроверки 1. На какие виды по происхождению подразделяются континен- тальные отложения? 2. Какие грунты относятся к конечным моренам? 3. Какую площадь составляет территория Беларуси? 4. Назовите размер такого гранулометрического элемента, как крупный гравий. 5. Чему равно число пластичности для тяжелого суглинка? 6. Какая область республики является наиболее заторфованной? 7. Дайте характеристику применимости пылеватых супесей в до- рожном строительстве. 8. В какую дорожно-климатическую зону входит Республика Бе- ларусь? 9. На сколько районов подразделяется Беларусь по климатиче- ским условиям? 10. Сколько разновидностей пыли вы знаете? 17. ПОЧВЫ БЕЛАРУСИ 17.1. Почвообразовательный процесс Поверхностные слои рыхлых горных пород, измененные совме- стным влиянием двух одновременно протекающих процессов - вы- ветривания и почвообразования, - называются почвой. На образо- вание почвы оказывают влияние климат, материнская порода, воз- раст породы, растительность, животный мир, рельеф местности. 97 Почвообразовательный процесс представляет собой сложный комплекс процессов, под действием которых горная (материнская) порода изменяется и приобретает новые свойства, в том числе ос- новное - плодородие, т.е. способность давать урожай. Внешними признаками почв являются цвет, структура, сложение. Цвет почв связан с их химическим и минералогическим соста- вом. Черный цвет указывает на большое содержание органических веществ (гумуса или торфа). При содержании гумуса менее 5% чер- ная окраска переходит в темно-серую. Белесый цвет свидетельству- ет о процессах выщелачивания и вымывания. Светлая окраска гово- рит о накоплении тонкопесчаных и пылеватых частиц. Красноватый цвет свидетельствует о присутствии железистых соединений. Гумус - это составная часть почвы, образовавшаяся в результате перегнивания различных растительных остатков и их разложения при активном участии грибов, насекомых, бактерий и т.п. Структура. Почвы являются монолитными образованиями и, как правило, распадаются на структурные агрегаты. Макрострукту- ра почв делится, по С.А.Захарьеву,на три типа: кубовидные, приз- мовидные и плитовидные. Сложение почвы определяется ее уплотненностью. Различают сложение: 1) связанное, без пор, характерное для глин и суглинков; 2) рассыпчатое, которым обладают почвы, лишенные всякой структуры; 3) пористое, типичное для лессов. 17.2. Почвенные зоны и их характеристика В почвоведении существуют законы, определяющие образование почв в зависимости от климатических факторов региона. Такими законами являются следующие: 1. Закон горизонтальных почвенных зон, сформулированный Н.М.Сибирцевым. Согласно этому закону, основные типы почв распределены на земной поверхности зонально, т.е. полосами. Наиболее важными почвенными зонами являются: 1). Тундрово-арктическая зона. Ее возраст - наиболее молодой. Это - зона вечномерзлых грунтов. Почвы обычно заболочены в свя- зи с большой влажностью и слабой испаряемостью. Процесс разло- жения органических веществ происходит очень медленно. Тундро- 98 вые почвы характеризуются большой рыхлостью, быстрой размо- каемостью и большой усадкой при высыхании. 2). Таежно-лесная зона. Основные почвы - подзолистые и дерно- во-подзолистые, широко распространены заболоченные. На севере граничит с зоной тундры, на юге ограничена линией Чернигов-Орел. 3). Лесостепная зона. Основные почвы - серолесные и выще- лоченные черноземы. В северной части преобладают подзолистые, в южной - мощные черноземы. Южная граница - Кишинев - Харьков. 4). Степная (черноземная) зона. Черноземы разделяются на ряд подтипов: деградированный (северный), выщелоченный, мощный, обыкновенный, южный. Мощность гумусового горизонта колеблет- ся от 25 до 150 см (иногда 200 см). Содержание гумуса - от 3% (су- песчаные черноземы) до 20% (черноземы на глинах). Южная гра- ница - Одесса - Ростов-на-Дону. 5). Полупустынная зона. Почвы - каштановые и бурые. 6). Пустынная зона. Сероземы, барханные пески, засоленные грунты. 2. Закон вертикальных почвенных зон, сформулированный В.В.Докучаевым, заключающийся в том, что по мере поднятия от уровня моря до вершин высоких гор наблюдается ряд вертикальных почвенных зон. Закономерность смены почвенных зон - такая же, как при перемещении с юга на север, - например, от степной зоны к тундрово-арктической. 17.3. Типы почв Беларуси Почвы Беларуси можно объединить в шесть групп: 1) дерновые; 2) дерново-подзолистые; 3) подзолисто-болотные; 4) дерново-болотные; 5) болотные; 6) пойменные (аллювиальные). Дерновые почвы мало распространены и занимают всего около 0,5%территории. Имеют мощный перегнойный горизонт (30. ..70 см), содержащий 2,5... 6% гумуса. По плодородию почвы стоят на пер- вом месте. Дерново-подзолистые почвы занимают около 60% площади рес- публики и покрывают почти все выпуклые (положительные) эле- 99 менты рельефа. Эти почвы характеризуются наличием почвенного горизонта светло-серого цвета мощностью около 25 см. Общая мощность дерново-подзолистых почв колеблется от 1 до 1,5...2,5 м. Этим почвам свойственно низкое (1,5...2%) содержание гумуса. Подзолисто-болотные почвы занимают около 13% территории республики. Они формируются под воздействием подзолистого, дернового и болотного процессов почвообразования. Строение поч- венного профиля у них - такое же, как у дерново-подзолистых почв, но в каждом горизонте обычно имеются признаки болотного про- цесса. Эти почвы характеризуются высокой кислотностью, сильной выщелоченностью, повышенным содержанием гумуса. Дерново-болотные почвы встречаются в виде пятен и полос в приурочены к низинам с близкой грунтовой водой. Они часто рас- полагаются на периферии болот низинного типа. Занимают около 2% территории. Содержат много гумуса (3...10% и более). При сильном заболачивании сверху может сформироваться слой торфа мощностью до 30... 50 см. Болотные почвы встречаются по всей территории, но больше всего распространены в Полесье. Занимают примерно 22% площада Обилие болотных почв объясняется особенностями рельефа, близким залеганием грунтовых вод, большим количеством атмосферных осадков, малой испаряемостью, наличием большого числа озер. Пойменные почвы формируются в речных долинах, заливаемых паводковыми водами, после стекания которых на поверхности пой- мы остается тонкий слой наилка из органических и минеральных частиц. Учитывая, что на территории Беларуси располагается около 4000 озер с общей площадью зеркала более 10 км2 и протекает свыше 3 тыс. рек общей протяженностью более 50 тыс. км, аллюви- альные почвы занимают около 2% территории республики. Территория Беларуси делится на четыре почвенных округа: 1. Витебско-Полоцкий: почвы дерново-подзолистые, часто забо- лоченные, имеют пониженную кислотность. 2. Оршанско-Могилевский: почвы дерново-подзолистые, под- стилаемые пылевато-суглинистыми и реже - супесчаными грунта- ми, имеют повышенную кислотность. 3. Минско-Гродненский: почвы дерново-подзолистые, развитые, на лессовидных суглинках, характеризуются высокой кислотностью. 4. Полесский: почвы подзолисто-болотные и дерново-болотные. 100 Вопросы для самопроверки 1. Что представляет собой почвообразовательный процесс? 2. Что является внешним признаком почв? 3. Назовите законы почвенных зон. 4. Перечислите наиболее важные почвенные зоны. 5. В какую почвенную зону входит Беларусь? 6. Перечислите основные группы почв Беларуси. 7. Какой вид почв по плодородию стоит на первом месте в рес- публике? 8. ,Пдйте характеристику дерново-подзолистых почв. 9. Какое количество озер и рек располагается на территории рес- публики? 10. Перечислите основные почвенные округа республики. 18. ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ГРУНТОВ 18.1. Влияние температуры на тепловой режим грунтов Водно-тепловым режимом грунтов называется совокупность природных факторов, влияющих на распределение в них влажности и температуры. Теплофизическими свойствами фунта являются: теплоемкость, теплопроводность и теплоустойчивость. Теплоемкостью называется способность фунта аккумулировать или отдавать тепловую энергию при теплообмене. Теплота, сооб- щенная грунту, расходуется, согласно первому закону термодина- мики, на изменение его внутренней энергии и на работу, связанную с расширением фунта. Сообщение фунту теплоты вызывает при- ращение его температуры. Различают объемную и удельную теплоемкость. Объемная теплоемкость численно равна количеству тепла, не- обходимого для изменения температуры единицы объема фунта на 1°С, и выражается следующим образом: C v = P d - C d , ^ - , (18.1) 101 где pa - плотность сухого грунта, кг/м3; Са - удельная теплоемкость грунта, Дж/кг-К. Удельная тепломкость грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы его массы на 1°С: W C T = C S + C w ; (18.2) 100 w W - W c M = c s + - ^ c w - н з с л , (18.3) 100 100 где Ст, См - удельная теплоемкость грунта в талом и мерзлом со- стоянии, Дж/кг-К; Cs - удельная теплоемкость частиц грунта, равная: щебень, гравий - Cs = 837 Дж/кг-К; песок - Cs = 711 Дж/кг-К; супесь - Cs = 753 Дж/кг-К; суглинок - Cs = 795... 837 Дж/кг-К; глина - Cs = 879... 921 Дж/кг-К; Cw, Сл - удельная теплоемкость воды и льда (зависит от темпе- ратуры); W - весовая влажность, %; W„3 - среднее содержание нсзамерзшей воды в процессе промер- зания, %. Теплопроводность - это способность грунта проводить тепло от нагретых его участков к более холодным. Она оценивается коэффици- ентом теплопроводности, представляющим собой величину, равную количеству тепла, проходящую за единицу времени через нормальное к направлению теплового потока сечение грунта площадью 1 м2. Теплоустойчивость - это способность грунта сохранять свои прочностные и деформативные свойства при повышении темпера- туры окружающей среды. Морозостойкость грунтов - это способность сопротивляться воздействию отрицательных температур. Она оценивается измене- нием прочности грунтов после определенного числа циклов замо- раживания и оттаивания. 102 Промерзание грунтов в Беларуси наступает во второй половине ноября или в первой декаде декабря. Скорость промерзания состав- ляет 1,2...2,8 см/сут. За продолжительность зимнего периода принимают количество суток с момента наступления осенью сред- несуточной температуры воздуха ниже -5°С до 0°С весной. Расчет- ная глубина промерзания песчаного фунта может быть определена по строительным нормам РСН 14-76 (рис. 18.1). С увеличением в фунте количества дисперсных частиц темпера- тура его замерзания понижается. Глинистый грунт с обычной влаж- ностью (30...40%) замерзает при температуре от -1°С до -2°С, а песок с 10%-ной влажностью - при температуре -0,5°С. Поэтому и глубина промерзания грунтов неодинакова для различных их типов. Рис. 18.1. Схема промерзания песчаных грунтов в нулевых местах Чем выше теплопроводность фунта, тем больше его глубина промерзания. Влажность сначала способствует понижению темпе- ратуры в фунте, т.к. увеличивает температуропроводимость, но при достижении некоторого предела является тормозом. Это связано с тем, что при замерзании воды выделяется теплота льдообразования. 103 Следовательно, при большей влажности фунта выделяется боль- ше теплоты, поэтому скорость и глубина промерзания при большей влажности будут меньше, чем при малой. На скорость и глубину промерзания существенное влияние ока- зывают время образования и высота снежного покрова. Если по- следний образуется до промерзания, скорость промерзания умень- шается в 2 раза по сравнению с промерзанием грунта при отсутст- вии снегового покрова. К концу зимы фунт на оголенном участке промерзает в 3... 4 раза глубже, чем на участках, покрытых снегом. Промерзание грунта замедляется при установлении снежного по- крова высотой 10 см и более. Глубину промерзания грунта можно определить без учета при- тока тепла с нижних талых слоев по формуле Стефана где Z - глубина промерзания, м; X - коэффициент теплопроводности грунта в мерзлом состоянии, ккал/м-ч-фад; Т - средняя отрицательная температура за период промерзания, °С; t - длительность процесса промерзания, ч; q - скрытая теплота льдообразования, принимаемая равной 80 ккал на 1 кг замерзающей воды; W - количество замерзающей воды в 1 м3 грунта, кг. Водный режим в условиях естественного залегания фунтов под- разделяется на промывной, непромывной и выпотной. Промывной режим характеризуется ежегодным промачиванием фунтовой толщи до уровня фунтовых вод. Непромывной режим характеризуется отсутствием сквозного промачивания толщи выше уровня фунтовых вод. Выпотной режим характеризуется превышением испарения над количеством осадков. Для второй дорожно-климатичсской зоны характерен промыв- ной водный режим. 104 (18.4) 18.2. Водный режим грунтов Атмосферные ОСйдки 1 1 1 1 Рис. 18.2. Источники увлажнения грунтов В зависимости от приведенных на схеме (рис. 18.2) источников увлажнения грунтов земляного полотна автомобильной дороги су- ществует три схемы расчета количества влаги, накопившейся в зем- ляном полотне за зимний период. 1. Сухие места с обеспеченным стоком поверхностных вод, глу- боким залеганием грунтовых вод и относительно малым количест- вом осадков. Накопление влаги в верхних слоях происходит за счет перерас- пределения ее запасов в зоне отрицательных температур без допол- нительного притока воды из других слоев. Количество влаги определяется по формуле Н.А.Пузакова где к - коэффициент молекулярной влагопроводимости грунта, см2/сут; Wo - молекулярная влагоемкость грунта; Wi - гигроскопическая влажность грунта; ао - климатический параметр, определяющий наибольшую глубину проникновения в грунт изотермы 0°С в продолжение зимы, см2/сут; ai - то же изотермы - 3°С, см2/сут; Т - продолжительность промерзания. (18.5) 105 2. Районы с достаточным количеством осадков и затрудненным стоком воды. Накопление влаги в зоне отрицательных температур происходит за счет перемещения пленочной и капиллярно-подвешенной воды: Q 2 = 1 , 1 5 - ( W O C - W 0 ) V V T , (18.6) где Woe - осенняя влажность грунта; kt — коэффициент капиллярной влагопроводимосги грунта, см2/сут. 3. Постоянно сырые места с близким расположением уровня грунтовых вод с необеспеченным водостоком. Накопление влаги в зоне отрицательных температур происходит за счет перемещения капиллярной воды от уровня грунтовых вод, причем путь фильтрации потока капиллярной воды постоянно уменьшается с увеличением глубины промерзания. Вопросы для самопроверки 1. Назовите теплофизические свойства грунта. 2. Каким выражением связаны объемная и удельная теплоем- кость грунта? 3. Что такое морозостойкость? 4. Какова расчетная глубина промерзания грунта в районе г. Минска в соответствии с РСН 14-76? 5. По какой формуле можно определить глубину промерзания грунта? 6. При какой температуре замерзает глинистый грунт? 7. Чему равна скрытая теплота льдообразования? 8. Перечислите водные режимы фунта в естественном залегании. 9. Каковы источники увлажнения грунтов? 10. Чему равна скорость промерзания фунтов в условиях Беларуси? 19. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ Механика грунтов - это наука о сопротивлении фунтов нафуз- кам и деформациям и о способах регулирования физико-механиче- ских свойств грунтов. 106 Начало рождения механики грунтов положил в 1773 г. француз- ский инженер Ш.Кулон, который предложил теорию давления фунтов на подпорные стенки. В 1854 г. другой французский уче- ный А.Дарси положил начало изучению фильтрационных свойств фунтов, обосновав закон ламинарной фильтрации. Для описания основных закономерностей механики фунтов су- ществуют зависимости, в основе которых лежат уравнения теорети- ческой механики и механики деформируемых сплошных тел. Основ- ные закономерности механики фунтов представлены в табл. 19.1. Т а б л и ц а 19.1 Основные закономерности механики фунтов № пп Свойство Закономерность Основные показатели Практическое при- менение в механике грунтов 1 Сжимаемость Закон уплотне- ния Коэффициент сжимаемости Расчет осадок со- оружений 2 Структурно- фазовая дефор- мируемость Принцип ли- нейной дефор- мируемости Модуль де- формации . Модуль упру- гости Определение на- пряжений и дефор- маций фунтов 3 Контактная сопротивляе- мость сдвигу Условия проч- ности Коэффициент внутреннего трения и сце- пления Расчет предельной устойчивости, проч- ности и давления на офаждения 4 Водопрони- цаемость Закон ламинар- ной фильтрации Коэффициент фильтрации Прогноз скорости осадок водопрони- цаемых грунтовых оснований 19.1. Закономерности сжимаемости грунтов Сжимаемость грунта - это способность изменять свое строе- ние (упаковку твердых частиц) под влиянием внешних воздействий за счет уменьшения пористости. Пористость уменьшается за счет местных сдвигов частиц и перераспределения мелких частиц в поры более крупных. На перемещение минеральных частиц влияет нали- чие оболочек воды, способствующей или противодействующей этим перемещениям. 107 При воздействии на грунт усилия он сжимается в направлении большего из действующих напряжений и расширяется в перпенди- кулярных ему направлениях (рис. 19.1). Рис. 19.1. Схема сжимаемости грунта Величина бокового давления характеризуется коэффициентом бо- кового давления который представляет собой отношение прира- щения бокового давления dq к приращению сжимаемого усилия dp: Для песков £ = 0,25...0,37; суглинков ^ = 0,6; глин £ = 0,7...0,82. Интегрируя вышеприведенное выражение, получим q = p£ + C, (19.2) где С - постоянная интегрирования, равная боковому давлению грунта на стенку до приложения внешней нагрузки (ро = 0). Если грунт в начальный период находится в рыхлом порошкооб- разном состоянии, то, пренебрегая влиянием собственного веса грунта, можно считать, что С = 0, а следовательно, q = $P- (19.3) При укладке сухого грунта с интенсивным послойным уплотне- нием создается первоначальное боковое давление на стенки С = q0: q = Sp + q0- О* 4 ) 108 При передаче нагрузки на уплотненный влажный связный грунт капиллярное давление препятствует деформациям бокового расши- рения С = -рк . В этом случае q = 4 p - p K (19-5) Сжимаемость грунта в условиях невозможности бокового рас- ширения характеризуется кривой, которая выражает зависимость между коэффициентом пористости и давлением на грунт (рис. 19.2), называемой компрессионной кривой. Рис. 19.2. Компрессионная кривая Если давление на грунт изменяется в малых пределах 0,1...0,3 МПа, то на небольшом участке компрессионной кривой М|М2 криволинейная зависимость можег быть заменена прямой линией. Обозначим коэффициент пористости и давление в точке М] че- рез ej и Р], а в точке М2 - через ег и Р2. Тогда рассматриваемая пря- мая выразится уравнением е = аР = А , (19.6) где е - коэффициент пористости при давлении Р; А - величина, измеряемая отрезком, отсекаемым прямой линией на оси ординат; а - коэффициент сжимаемости, равный 109 а = tga = ———, МПа"1. P 2 - P i (19.7) Таким образом, коэффициент сжимаемости равен отношению изме- нения коэффициента пористости к величине действующего давления. Закон уплотнения гласит, что при небольших изменениях уп- лотняющих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления: е 1 - е 2 = а ( Р 2 - Р 1 ) . (19.8) При снятии нагрузки с уплотненного грунта происходит замед- ленное частичное восстановление его первоначального объема, вначале - за счет упругих деформаций, а затем - при поступлении воды в грунт в результате его набухания (рис. 19.3). е ОСТАТОЧНАЯ \ Ветвь де«ормлция \сшятия . хГ Ветвь УПРУГАЯ рдсишрения деФОРмяцня, Рис. 19.3. Ветви сжатия и расширения компрессионной кривой Поэтому компрессионная кривая состоит не только из ветви сжа- тия (нагрузки), но и из ветви расширения (разгрузки). В зависимости от величины коэффициента сжимаемости степень сжимаемости грунтов можно представить в следующем виде (табл. 19.2). 110 Т а б л и ц а 19.2 Характеристика сжимаемости грунта Коэффициент сжимаемости а Модуль осадки ер, мм/м Сжимаемость грунта <0,001 < 1 практически несжимаем 0,001... 0,005 1...5 слабая 0,005... 0,01 5...20 средняя 0,01..0,1 20... 60 повышенная >0,1 >60 сильная При расчете осадок сооружений Н.Н.Маслов предложил по дан- ным компрессионных испытаний вычислять модуль осадки: ер = 1000 •/()=] ООО • — , (19.9) F h где ер - модуль осадки, мм/м; /о - относительная деформация (рис. 19.4), определяемая из вы- ражения (19.10) и равная отношению абсолютной величины сжатия образца ДЬ к его первоначальной высоте h, , Ah / 0 = — - . (19.10) h Под модулем осадки понимают величину осадки (в мм) слоя грунта мощностью 1 м под данной нагрузкой. Степень сжимаемо- сти грунтов по величине модуля осадки представлена в табл. 19.2. Рис. 19.4. Деформация образца в результате сжимаемости 111 19.2. Методы определения сжимаемости грунтов Сущность метода определения сжимаемости фунта заключается в наблюдении за величиной линейного обжатия образца фунта под нагрузкой, что достигается на приборах одометрах и стабилометрах. Одометр позволяет получить компрессионную кривую. Для это- го образец фунта помещают в жесткую металлическую обойму и совершают осевое обжатие. В этих приборах поле напряжений внутри образца искажается трением фунта о стенки прибора. Для получения надежных показаний необходимо, чтобы диаметр образ- ца в 4... 5 раз превышал его высоту. В стабилометрах образец фунта помещают в тонкую резиновую оболочку. Просфанство между жесткими боковыми стенками и оболочкой заполняют водой. Измеряя манометром давление, возни- кающее в воде при действии вертикальной нафузки, можно опре- делить боковое давление. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные закономерности механики фунтов. 2. Что такое сжимаемость грунтов? 3. Напишите выражение для определения бокового давления пред- варительно уплотненного фунта. 4. Чему равен коэффициент сжимаемости фунта? 5. Сформулируйте закон уплотнения. 6. Сколько ветвей имеет компрессионная кривая? 7. Дайте характеристику модуля осадки. 8. Что такое относительная деформация? 9. На каких приборах определяют сжимаемость фунта? 10. Чем отличается стабиломеф от одомефа? 20. ПРИНЦИП ЛИНЕЙНОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ 20.1. Деформационные свойства грунтов Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические, и, следовательно, не приводящими к разрушению образца. 112 При малых изменениях давлений (0,1 ...0,3 МПа) зависимость меж- ду деформациями и напряжениями может приниматься линейной. Принцип линейной деформируемости заключается в том, что при небольших изменениях давлений грунты можно рассматривать как линейно деформируемые тела. Этот принцип справедлив для грунтов средней уплотненности, поскольку для слабых грунтов необходимо исходить из нелинейной зависимости между деформациями и напряжениями. Деформации грунтов протекают не мгновенно, а развиваются в течение некото- рого времени. При кратковременном воздействии на грунт нагрузок продолжительность нахождения грунта в напряженном состоянии бывает существенно короче того времени, которое необходимо для полного протекания деформации. Поэтому однократное кратковре- менное приложение большей нагрузки эквивалентно длительному воздействию меньшей нагрузки (рис. 20.1). Рис. 20.1. Зависимость величины деформации от времени приложения нагрузки Деформация грунта / от тяжелой нагрузки Pi за короткое время ti равно деформации от длительного действия намного меньшей нагрузки Р3. Поэтому в средней части взлетно-посадочных полос аэродромов, где самолет при пробеге движется с высокой скоро- стью, строят более тонкие покрытия, чем на концевых участках. Повторяющиеся многократно прилагаемые на короткое время к грунту нагрузки вызывают в нем накопление деформаций (рис. 20.2). График показывает постепенное уменьшение величины остаточных и упругих деформаций от каждого повторного цикла нагрузки - раз- 113 грузки, объясняемое постепенно возрастающим уплотнением грунта, причем остаточные деформации уменьшаются быстрее, чем упругие. Кривые упругой деформации грунта, получаемые при разгрузке, не совпадают с кривыми деформации при нагружении, образуя петли гистерезиса. для многократно прилагаемой ншрузки 20.2. Показатели деформационных свойств грунта Деформационные свойства грунта характеризуются такими по- казателями, как модуль деформации и модуль упругости. Модуль деформации • характеристика деформируемости грунта, выражающая отношение сжимающего напряжения к вызываемой им относительной деформации: E o 6 . u = f , (20.1) •о где а - сжимающее (нормальное) напряжение, МПа; /о - относительная деформация, мм. 114 Относительная деформация может быть продольной и попереч- ной. Взаимосвязь между ними устанавливает коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона есть отношение относительной попе- речной деформации (расширения) к относительной продольной де- формации (сжатию) грунта. Для песков этот коэффициент равен 0,29; для суглинков - 0,35; для глин - 0,41. Модуль общей деформации используется при расчетах осадки сооружений, т.е. при действии статических нагрузок, - например, осадка основания под опорами мостов и путепроводов, под насы- пью земляного полотна. Модуль упругости - характеристика деформируемости грунта, выражающая отношение сжимающего напряжения к вызываемой им упругой деформации: где /у - упругая деформация (рис. 20.3), мм; — - поправочный коэффициент при испытании жестким штампом; 4 D - диаметр штампа, мм; Р - давление на образец, МПа; v - коэффициент Пуассона. У У (20.2) Рис. 20.3. Схема, иллюстрирующая упругую деформацию 115 Современные методы определения толщины дорожных одежд предусматривают полное восстановление их прогибов после проез- да колеса автомобиля, поэтому расчеты ведут исходя из модулей упругости грунтов земляного полотна. Из формул (20.1), (20.2) видно, что Еу > Еобщ, поскольку /0 > /у. Для линейнодеформируемых тел модуль упругости равен модулю деформации и не зависит от напряжения. Однако для большинства горных пород значения модуля упруго- сти и модуля общей деформации являются переменными и зависят от величины и продолжительности действия нагрузки. Между модулями деформации и упругости существуют различия: 1) модуль деформации отражает и упругие, и пластические де- формации, не разделяя их; 2) в связи с преобладанием у грунтов остаточных деформаций модуль деформации относится только к возрастанию давления на грунт (к ветви нагрузки); 3) модуль деформации и модуль упругости зависят от влажности и степени уплотнения и изменяются в широких пределах; 4) поскольку деформации грунтов имеют нелинейный характер и закон Гука применим к ним только при малых значениях давлений, постоянные значения модулей деформации и упругости могут быть приняты лишь в узком интервале напряжений. Вопросы для самопроверки 1. Сформулируйте принцип линейной деформируемости . 2. Что такое деформационные свойства грунта? 3. Как влияют длительность и величина прилагаемой нагрузки на деформацию грунта? 4. Что характеризует график в виде петли гистерезиса? 5. Какими показателями характеризуются деформационные свой- ства грунта? 6. Что отражает коэффициент Пуассона? 7. Напишите выражение для определения модуля упругости. 8. Что такое упругая деформация? 9. Какой из модулей больше - упругости или деформации, и почему? 10. В чем различие между модулем деформации и модулем упру- гости? 116 21. УСЛОВИЯ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ В результате действия внешних нагрузок в земляном полотне возникают деформации сжатия и сдвига. Действующие напряжения в точке контакта двух грунтовых частиц раскладываются на две со- ставляющие: 1) нормальное напряжение а , действующее перпендикулярно к рассматриваемой площадке контакта; 2) касательное напряжение т , действующее в плоскости пло- щадки (рис. 21.1). Рис. 21.1. Напряжения, действующие в зоне контакта грунтовых частиц Имея две составляющие, всегда можно получить результирую- щее напряжение или полное а„, воздействующее на рассматривае- мую площадку. Угол отклонения <тп от нормальной величины о обозначим через 9. Можно записать: tg е = - . (21.1) о Условие прочности заключается в том, что любой массив грун- та считается устойчивым, пока сдвигающие напряжения не вызовут в нем смещение частиц, т.е. должно выполняться условие T < f ( o ) . (21.2) 117 Условия соответствуют плоской задаче, если напряжения рас- пределяются в одной плоскости, а в перпендикулярном направле- нии равны нулю или постоянны. Рассмотрим абстрактную точку грунтового массива, в которой возникают напряжения под действием равномерно распределенной нагрузки Р0 (рис. 21.2). Рис .21.2. Схема к определению напряжений от действия равномерно распределенной нагрузки в условиях плоской задачи Через центр равномерно распределенной нагрузки проводим вертикальную ось Z и горизонтальную X. Рассматриваемая точка не лежит ни на одной из них. В условиях плоской задачи могут воз- никнуть напряжения только в двух взаимно перпендикулярных об- ластях. На горизонтальную плоскость действуют напряжения о7 и т,ц., на вертикальную - о х и тгх. Угол, составленный двумя лучами, соединяющими рассматриваемую площадку с равномерно распре- деленной нагрузкой, называется углом видимости а . Угол, состав- ленный биссектрисой угла а с вертикалью, обозначим через 8; угол, составленный крайним лучом с вертикалью, - через б'. Составляющие напряжений в условиях плоской задачи опреде- ляются из выражений ' / / / / / / / / / > 118 o z = — (a + sina • cos26); к o x = — (a - sina • cos26); 71 P Txz = TZX = — s i n a - sin25. я (21.3) Теперь переместим рассматриваемую точку А в точку В, распо- ложенную на вертикальной оси при неизменной вертикальной ко- ординате. Для точки В изменяется значение углов: a 5 ' = - - 2' 5 = — — — = 0 . 2 2 (21.4) Таким образом, если рассматриваемая точка будет лежать на оси Z, то б = О, cos 0 = 1, sin 0 = 0. При подстановке значений составляю- щих формулы для определения главных напряжений примут вид о = — ( a + sina), я о х = — ( a - s i n a ) ; я (21.5) Напряжения a z и а х будут характеризоваться как главные вза- имно перпендикулярные. И поскольку они не равны между собой, то представляют оси эллипса, наклон которого зависит от угла ви- димости. Величина эллипса будет зависеть от его удаления от цен- тра прилагаемой нагрузки (рис. 21.3). 119 Рис. 21.3. Эллипсы главных напряжений Как видно из рис. 21.3, главные напряжения, а следовательно, и эл- липсы, построенные на них, уменьшаются с глубиной рассмотрения точки грунтового массива и по мере удаления от вертикальной оси. 21.1. Теория прочности Мора В основу теории прочности Мора положено то обстоятельство, что функция Да) определяет положение площадок скольжения по отношению к направлениям главных напряжений в данной точке. В случае плоской задачи строится круг напряжений (круг Мора), диаметр которого равен разности главных напряжений в данной точке. Круг Мора вычерчивается в прямоугольной системе коорди- нат. Для его выполнения применяют следующие условия: 0>i > а3; OOj = ( о 1 + а 3 ) / 2 ; R = ( o 1 - o 3 ) / 2 . (21.6) От начала координат т = f (о) откладываем значения С] и о3 (рис. 21.4). Из точки О' проводим окружность радиусом R. Любая точка М на окружности характеризует напряженное состояние грунта в плоскости, проходящей через рассматриваемую точку. 120 Рис. 21.4. Построение круга Мора Здесь угол а - угол наклона рассматриваемой площадки к глав- ной; 2 а - центральный угол наклона. Нормальное напряжение определяется из выражения а = а 2 = 0 0 ' + 0 , M , = ^ ( a 1 + o 3 ) + ^ ( a 1 - o 3 ) c o s 2 a ; (21.7) касательное напряжение равно x = MM , = ^ ( a 1 - o 3 ) s i n 2 a . (21.8) Максимальные касательные напряжения соответствуют следую- щим углам: sin 2a = 1; 2а = —; a = 45°; 2 (21.9) sin 2a = - 1 ; 2a = — ; a = 135°. 2 Следовательно, максимальные касательные напряжения направ- юны под углом 45° к главным напряжениям. 121 Полное результирующее напряжение на рассматриваемой пло- щадке может быть определено из выражения а п = Vct2+т2 . (21.10) Угол наклона полного напряжения к нормали равен 0 = arctg(T/a). (21.11) Угол 0 максимален, когда ОМ касательна к кругу. Зависимость сопротивления сдвигу т от нормального давления о на экспериментальных графиках изображается линией, близкой к прямой (рис. 21.5), которая может быть описана уравнением T = c + c t g p , (21.12) где <р - угол наклона прямой к оси абсцисс, характеризующий угга внутреннего трения грунта; с - отрезок пересечения прямой и оси ординат, характеризую- щий сцепление между частицами. Рис. 21.5. График зависимости касательного напряжения от нормального, построенный по экспериментальным данным (Iff - угол сдвига) Для различных грунтов значения составляющих с и atg^> нахо- дятся в различных соотношениях. По этому признаку грунты делят- ся на три группы: 1. Грунты, в которых внутреннее трение значительно превосхо- дит сцепление и последним можно пренебречь, т.е. с = 0. К это» группе относятся пески всех видов и любой влажности. 122 X = Otg (p . (21.13) Выражение (21.13) представляет собой закон Кулона для сыпу- чих грунтов. Этот закон в 1773 году вывел французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736-1806). Закон Кулона формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление тре- нию, прямо пропорциональное нормальному давлению. Графически этот закон для сыпучих грунтов может быть изо- бражен в виде графика (см. рис. 21.6). Рис. 21.6.1'рафическос изображение закона Кулона для сыпучих 1рунтов 2. Грунты, обладающие как трением, так и сцеплением, причем каждый член уравнения имеет существенное значение. К этой груп- пе относятся все супеси, жесткие и скрытопластичные глины и пылеватые пески. х - cstgcp + С. (21.14) Это выражение носит название закона Кулона для связных щ'нтов. Он формулируется следующим образом: предельное со- противление связных грунтов сдвигу при завершенной их консоли- дации есть функция первой степени от сжимающего напряжения. Графически этот закон изображается зависимостью (см. рис. 21.7). 123 Рис. 21.7. Графическое изображение закона Кулона для связных грунтов 3. Грунты, имеющие преимущественно сцепление. К ним отно- сятся тугопластичные глины, суглинки и все мерзлые грунты. т = С . (21.1з| Графически эта зависимость изображается горизонтальной пр» мой (рис. 21.8). Рис. 21.8. Графическое изображение закона Кулона для пластичных и мерзлых грунтов 21.2. Условия прочности для сыпучих и связных грунтов Найдем предельное соотношение между а и т для каждого и: перечисленных случаев с соблюдением условия прочности: 1. Для первой группы - песков всех видов и любой влажности (рис. 21.6) 124 = = (21.16) O'M ( o i - o 3 ) 2 smm = = r . (21.17) OO' 2 ( o , + c 3 ) Отсюда s i n g ? ^ 1 ° 3 ] . (21.18) l a l + CT3j Это выражение носит название условия прочности сыпучих тел, или условия Ренкина (английского ученого, сформулировав- шего его в 1856 г.). 2. Для второй группы - супесей, жестких и скрытопластич- ныхглин, пылеватых песков (рис. 21.7) O'M = R = i ^ I H ^ l l • 2 А0'= АО + 0 0 ' = Cctg<р + о 3 + = Cctg^> + fcll^l. ( 2 1 , 9 ) 0 ' M = A 0 ' s i n ^ ; (21.20) fe^i = sin J c c t g « > + . (21.21) Отсюда sin = . (21.22) 2Cctgp + Oj + a 3 Это выражение носит название условия прочности для связных грунтов, или условия Ренкина-Мора. 125 3. Для третьей группы - тугопластичных глин, суглинков и всех мерзлых грунтов (рис. 21.8) - исходим из условия прочности Ренкина-Мора, разлагая котангенс: s i n f > = — ( а ^ з ) — . (212! 2C5SK+ «,,+„,) 2 С ^ + ( а 1 + а 3 ) (21.241 sin (р Gj - а 3 = 2Ccos^> + sin(p(ox + а 3 ) ; (21.25] при (p — 0, cos(p = 1, sin (p — 0 (21.26) а , - а 3 = 2 С ; (21.27) 2 _ max • (21.28) Зависимость (21.28) носит название условия прочности Кулона 21.3. Сопротивляемость связных грунтов сдвигу Н.Н.Маслов в своих работах [3, 14] предложил оценивать сте- пень прочности грунта соотношением воздействующего на грунт касательного напряжения т и действующей сопротивляемости грунта сдвигу Sp . Связь между этими характеристиками описывай коэффициент запаса прочности SD Кзап = • (21-29) В зависимости от соотношения основных составляющих разли- чают три состояния: 126 1) состояние необеспеченной прочности (запредельное со- стояние), оценивающееся выражением S Кзап= — п р и t > S p ; (21.30) т 2) состояние предельного равновесия V 3) состояние обеспеченной прочности (допредельное состоя- ние), оценивающееся выражением SD К з а п = ^ > 1 , 0 П р И T < S P ( 2 1 3 2 ) Все эти три состояния оценивают прочность связных фунтов. Для оценки прочности сыпучих фунтов рассмотрим систему на- пряжений, действующих в зоне контакта двух частиц (рис. 21.1). Как было сказано, тангенс угла 0 представляет собой отношение касательного напряжения к нормальному, т.е. tg0 = —. (21.33) о Отсюда x = o t g 0 . (21.34) Выразим главные напряжения через полное результирующее а п : cr = c n c o s 0 ; (21.35) т = a n s in0 . Подставляем эти значения в первоначальное выражение (21.33): 127 onsin0 = oncos 0 Щф; (21.36) sinQ - = t g (2142) 3) состояние обеспеченной прочности (допредельное) ^ > 6 ш а х - (2143) | Н.Н.Маслов, рассмотрев состояния прочности для связных и сы- пучих грунтов, на основании показателя сопротивляемости сдвиг; 128 предложил оценивать прочность горной породы и вместо касатель- ного напряжения в законе Кулона оперировать сопротивляемостью сдвига Sp. Кроме того, он предложил рассматривать сцепление как показатель, характеризующий жесткое структурное сцепление Сс и связность породы водно-коллоидной природы и обратимого харак- тера при влажности W - Cw. В результате была выведена формула Н.Н.Маслова S p = c t g p + C w + С с , (21.44) где Sp - сопротивление грунта сдвигу; C w - связность грунта при влажности W; Сс - жесткое структурное сцепление. Следует отметить, что связность присуща несцементированным глинистым породам и имеет обратимый характер. Структурное сцепление придает породе определенную жест- кость и твердость и объясняется наличием в породе жестких связей. Исходя из вышеприведенного выражения можно заключить, что сопротивляемость породы сдвигу зависит от: сил внутреннего трения, зависящих от величины нормального напряжения; связно- сти породы и структурного сцепления. В соответствии с формулой Н.Н.Маслова глинистые грунты мож- но подразделить на три вида: 1) жесткие; 2) скрытопластичные; 3) пластичные. В жестких глинистых грунтах связность C w намного меньше структурного сцепления С с . В этом случае угол внутреннего трения <р в слабой степени зависит от степени увлажнения. Сопротивляе- мость сдвигу жестких глинистых грунтов выражается зависимостью S p = о tg

- К ф ' I > (22.2) где Кф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильфации при фадиенте, равном единице. 132 Коэффициент фильтрации для песчаных фунтов определяется в соответствии с изменением №1 к ГОСТ 25584-90 на приборе Союз- дорНИИ. Для приближенных расчетов можно использовать формулу где d10 - действующий диаметр, определяемый по суммарной кри- вой гранулометрического состава, мм. Фильтрация воды в вязких глинистых грунтах имеет свои осо- бенности, вызванные малыми размерами пор и вязким сопротивле- нием водно-коллоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов. Чем тоньше водно-коллоидные пленки, что имеет место у уплотненных глинистых грунтов, тем большее сопротивле- ние они оказывают напорному движению воды. Фильтрация воды в вязких глинистых фунтах начинается лишь при достижении градиентом напора некоторой начальной величи- ны, преодолевающей внутреннее сопротивление движению, оказы- ваемое водно-коллоидными пленками. Закон ламинарной фильтрации для глин примет вид где / 0 - начальный градиент напора для глин, колеблется в преде- лах от 10 до 70, причем значения тем выше, чем больше влажность и степень уплотнения грунта. Графически закон ламинарной фильтрации для песчаных и гли- нистых грунтов представлен на рис. 22.3. К ф = 1000 d f o , Ф (22.3) У ф = К ф ( / - / 0 ) , (22.4) % J Рис. 22.3. Зависимость между скоростью фильтрации и гидравлическим градиентом 133 Средние ориентировочные значения коэффициента фильтрации для различных пород представлены в табл. 22.1. Т а б л и ц а 22.1 Ориентировочные значения коэффициента фильтрации № пп Водопроницаемость породы Кф, м/сут 1 1ракгически водонепроницаемые (глина, монолитные скальные породы) < 5 • Ю- 5 2 Весьма слабо водопроницаемые (суглинки, тяжелые супеси) 5 • 10" 3 3 Слабоводопроницаемые (супеси, слаботрещиноватые гли- нистые сланцы, песчаники, известняки) 0,5 4 Водопроницаемые (тонкозернистые и мелкозернистые пески, трещиноватые скальные породы) 5 5 Хорошо водопроницаемые (среднезернисгые пески, скальные породы с повышенной трещиноватостью) 50 6 1 Сильноводопроницаемые (крупнозернистые, гравелистые 1 пески, галечники, сильнотрещиноватые скальные породы) >500 Вопросы для самопроверки 1. Какую форму и сечение имеют грунтовые поры? 2. При каких условиях возможно движение воды в грунтах есте- ственного и нарушенного строения? 3. Что представляет собой ламинарный режим течения жидкости? 4. Объясните сущность гидравлического градиента. 5. Сформулируйте закон Дарси для песчаных и глинистых грунтов. 6. Изобразите графически зависимость между скоростью филы- рации и гидравлическим градиентом для песчаных и глинистых грунтов. 7. Что необходимо для начала фильтрации в глинистых грунтах? 8. Что препятствует движению воды в глинистых грунтах? 9. Какие породы относятся к слабоводопроницаемым? 10. Каково среднее ориентировочное значение коэффициента филь- трации у мелкозернистых песков? 134 23. НАПРЯЖЕНИЯ В ГРУНТАХ 23.1. Понятие о величине напряжения Давление от нагрузки, приложенной к поверхности грунтового массива, передается в грунте частицами через точки контакта, рас- пределяясь по мере углубления в грунт на все большую площадь (рис. 23.1). Рис. 23.1. Модель контактов отдельных частиц Представим себе модель грунта в виде пирамиды. Нагрузка, приложенная к верхней частице, передается на нижние в соответст- вии с числом контактов, причем величина давления на нижние час- тицы от внешней нагрузки будет постоянно уменьшаться. Теперь рассмотрим ту же модель, но уже без нагрузки Р, учитывая давле- ние от частиц, расположенных сверху. Легко убедиться, что в этом случае давление на все нижележащие частицы от вышележащих будет постоянно увеличиваться по мере заглубления. Действующие в грунтах реальные силы, приложенные к отдель- ным грунтовым частицам, заменяют воображаемыми. Величину этих сил, отнесенных к единице площади сечения, принимают за величину напряжений в грунте. На земляное полотно автомобильных дорог действуют динами- ческие и статические нагрузки от подвижного состава и собствен- ный вес грунта. Наибольшие напряжения возникают по вертикали, проходящей через ось симметрии нагрузки. Как видно из эпюр, напряжения (рис. 23.2) от внешней нагрузки с глубиной затухают, а от собст- венного веса - возрастают. 135 .X Рис. 23.2. Эпюры напряжений в земляном полотне Объем грунта, в котором напряжения от внешней нагрузки больше напряжений от собственного веса, называют глубиной ак- тивной зоны; где к - коэффициент, учитывающий напряжения в полотне; Р0 - нагрузка; р - плотность грунта. Глубина активной зоны для автомобильных дорог составляет 1,6 . .. 1,8 м. Если Z > Za, решающую роль в напряженно-деформируемом со- стоянии играет собственный вес грунта, если Z < Za, - внешняя нагрузка. Для характеристики напряженного состояния грунтового масси- ва используют следующие напряжения (рис. 23.3): a z - вертикальное нормальное напряжение; Gy, a>x ~ горизонтальные нормальные напряжения, действующие соответственно в направлении осей у и х; Хху и Тух - касательные напряжения, действующие по граням па- раллельно оси z; Tzx и txz - то же параллельно оси у; Tyz и Xzy - то же параллельно оси х. (23.1) 136 V ч- Рис. 23.3. Напряженное состояние элементарного кубика грунта 23.2. Определение напряжений в однородных грунтах На основании принципа линейной деформируемости грунт при малых нагрузках подчиняется закону Гука, устанавливающему связь между напряжением сг и модулем деформации Еобщ с учетом относительной деформации /0 Для вывода выражения по определению напряжения примем по- стулат (рис. 23.4). ° — Е0бщ • /0 • (23.2) Р 7 V Ш W /> А 2 г Рис. 23.4. Схема действия сосредоточенной силы 137 Постулат. Напряжение OR пропорционально cos а и обратно пропорционально квадрату расстояния от точки приложения сосре- доточенной силы RA Таким образом, . cosa (23.3) где А - коэффициент, определяемый из условия равновесия. Для составления условия равновесия проведем через точку А (рис. 23.4) полушаровое сечение с центром в точке приложения на- грузки (рис. 23.5) p in WW.tfJ M M v / ш ш ш ш ' у Ч (Г=тод iM Я Рис. 23.5. Эпюра напряжений на полушаровом сечении Нормальные напряжения будут изменяться от О - У ограничи- вающей плоскости до максимума по оси Z. Условие равновесия заключается в том, что сумма проекций всех сил на вертикальную ось равна нулю, т.е. л 2 Р - J a R c o s a - d F =0, о (23.4) где dF - поверхность элементарного шарового пояса, равная dF = 2л; • (R • sina)- (R • da) . (23.5) 138 Подставляем эту величину в начальное уравнение и получаем 2 Р - f A . c o s a . 2я(Я • sin a)- (R • d a ) = 0 ; (23 .6) о R 2- cos 2 a P - jA——j—-2nR 2 - s i n a - d a = 0 ; (23.7) о R л 2 P - 271A J cos2a- sina • da=0 . (23.8) о Проинтегрировав и подставив пределы, получим Р - — А я = 0 , (23.9) 3 откуда коэффициент А равен 3 Р А = . (23.10) 2 я Подставив это выражение в постулат, получаем 3Pcosa c R = - — - т . (23.11) 2jiR Эта формула выведена Жозефом Буссинеском в 1886 г. В фор- муле a - утол, составленный радиус-вектором с вертикалью, про- ходящей через точку приложения Р. Из формулы Ж.Буссинеска могут быть получены выражения для определения напряжений по площадкам, перпендикулярным коор- 139 динатным осям XYZ (рис. 23.3), т.е. применительно к пространст- венной задаче (рис. 23.6): 1 2 a R = a R ' c o s a > т к - c o s a = — (23.12) -nr-% Рис. 23.6. Схема действия сосредоточенной силы для гфостранствешюй задачи Подставив в вышеприведенную формулу значение OR ПО форму- ле Ж.Буссинеска и cos а , получим 1 _ 3Pcosa z _ ЗР • z 2tcR2 R ~ 2 T C R 4 (23.13) Исходя из полученного выражения могут быть определены az, o z y и т2Х: 1 z a z = a R c o s a ; c o s a = — ; R ° z y = C T R c o s P ; c o s p = К ctzx=ctrcosy; c o s T к (23.14) В результате получим вертикальное нормальное напряжение °z = 3Pz 2^R f (23.15) 140 и касательные напряжения 3Pyz <2316> ЗРХ72 Аналогичным образом могут быть выведены выражения для ох , Хху, Tyz, Txz, Тух. Выражению для вертикальных нормальных напряжений может быть придан более удобный вид. Учитывая, что R = >/z2 + г2 , по- лучим - - Л — Ч ^ 1 ? -2nz Величина безразмерного множителя К, зависящего от отношения — I, может быть определена по таблице [15]. .z ) 23.3. Расчет напряжений для плоской и пространственной задачи Все инженерные задачи, решаемые при строительстве автомо- бильных дорог и коммуникационных сооружений, могут быть отне- сены к плоской и пространственной задачам. При определении напряжений под длинными ленточными фун- даментами, дорожными насыпями, плотинами постоянного сечения, основаниями подпорных стенок решается плоская задача, т.е. при- нимается допущение, что напряжения распределяются в одной плоскости, а в перпендикулярном к ней направлении равны нулю. Рассмотрим порядок расчета напряжений под ленточными фун- даментами и дорожными насыпями. 141 1. Нагрузка, равномерно распределенная по ширине полосы (ленточный фундамент). Как было изложено в разд. 21, составляющие напряжений в ус- ловиях плоской задачи могут быть определены из выражений р o z = — • (а + sin а • cos25); п р < а х = — • (а - sina • cos2S); (23.19) л р *XZ =*zx = — - s i n a - sin 25. я После расчета известных значений углов и замены их коэффици- ентами предыдущая группа выражений может принять вид a z = K z P ; < с х = К х Р ; (23.20) т —К . Р XZ, ZX xz,zx 1 > где Кг, Кх, Kxz>zx - коэффициенты влияния, определяемые по табли- Z X цам в зависимости от величины относительных координат —; —. b b По вышеприведенным формулам строят эпюры распределения напряжений по горизонтальным и вертикальным сечениям. 2. Нагрузка, распределенная по трапеции (давление дорожных насыпей и плотин). Формула для определения нормального напряжения с учетом за- мены расчетной части через коэффициент К0 имеет вид o z = K 0 P , (23.21) где К0 -коэффициент, определяемый по графику Остерберга в зави- „ a a , симости от отношении —; — (рис. 23.7); z z 142 Рис. 23.7. Номограмма для определения вертикальных нормальных напряжений в грунте при нагрузке от насыпи 143 а - проекция линии откоса на горизонтальльную плоскость; Ъ - половина ширины насыпи поверху; z - глубина определения направления от нижней плоскости откоса; Р - давление на грунт в центральной части насыпи. Следует учитывать, что вертикальные сжимающие напряжения для условий плоской задачи распространяются на большую глубину (« до 6Ь), чем в случае пространственной задачи (« до 4Ь, где b - половина ширины распределенной нагрузки). При определении напряжений в грунтах под нагрузками, распре- деленными по ограниченной площади (башмаки колонн, опоры мостов, колеса и гусеницы транспортных средств)^ решается про- странственная задача. Рассмотрим порядок расчета напряжений под нагрузкой, равно- мерно распределенной по кругу и по прямоугольной площадке. 1. Нагрузка, равномерно распределенная по кругу (опоры мостов). Вертикальные нормальные напряжения по оси z, проходящей через центр круга (рис. 23.8): a z = p ( l - cos 3 p)= K t • Р , (23.22) где р - угол, образуемый вертикальной осью и прямой, соединяю- щей рассматриваемую точку А с любой точкой на окружности; Ki = (1 — cos3p) - определяется по таблицам [15] в зависимости от z соотношения —. г Рис. 23.8. Расчетные схемы пространственных задач: а - при нагрузке, распределенной по кругу; б - при нагрузке, распределенной по прямоугольной площадке 144 2. Нагрузка, равномерно распределенная по прямоугольной площад- ке (опоры искусственных сооружений, башмаки колонны) (рис. 23.8). V 0,4 ОХ о Ц2 о о,г w з з й И Ш Q4 ?2> Ш 2Ъ wimm П Ш г 0 хпгг i f f i i Й Ж ПНЕ Нпг 2Шг 6Л « т ш т п м щ щ щ ц п п и » » » ; 46 6Ь жжщ Ш г т т г 2Ь 4Ь вь t' 4, - f t Нлнр мам» 2 ИИ J m-ff/H ь\ш р41/ut t — в - zz 8 — гь о гь Ть ъ Рис. 23.9. Кривые распределения напряжений 145 Напряжение по вертикали, проходящей через угол площадки: < 7 z = K 2 - P , (23.23) где Кг - коэффициент, определяемый по таблицам [15] в зависи- „ Z L мости от соотношении — : —; В В L - большая, В - меньшая стороны загруженного прямоугольника; Z - глубина рассматриваемой точки. 23.4. Кривые распределения напряжений Для характеристики напряженного состояния грунтового масси- ва используются кривые распределения напряжений, представляю- щие собой геометрические места точек, в которых эти напряжения имеют одинаковое значение. На практике наибольшее распространение получили следующие эпюры распределения напряжений: 1) кривые распределения вертикальных нормальных напряжений по горизонтальному сечению CTZ при z = const; 2) кривые распределения вертикальных нормальных напряжений а г = const; 3) кривые распределения вертикальных нормальных напряжений по глубине при постоянном расстоянии от оси действия нагрузки о2 при х - const; 4) кривые равных касательных напряжений rm a x = const (рис. 23.9). 23.S. Распределение напряжений в неоднородных грунтах Влияние неоднородности грунтовых напластований проявляете! при разности модулей смежных слоев более чем в 2...3 раза. Таш условия могут возникнуть, когда деформируемость грунтов возрасгае] с глубиной; в случае залегания анизотропных грунтов или грунтов подстилаемых недеформируемым слоем; у многослойных систем. Профессор Г.И.Покровский в 1936 году предложил метод экви валентного слоя, который дает возможность при определении на пряжений привести любую многослойную систему к однослойной. 146 Сущность метода заключается в замене более жесткого слоя фик- гивным эквивалентным слоем грунта такой толщины, чтобы напря- жения грунтового основания оставались одинаковыми (рис. 23.10). Высота эквивалентного слоя Ьэкв = h i 2 (23.24) -гр где hi - толщина жесткого слоя; Ем и Еф - модули деформации материала жесткого слоя и под- стилающего грунта. rJL n u m . Рис. 23.10. Схема метода эквивалекшого слоя Напряжения в грунтах определяют из выражения Р„ v 1+ (23.25) где Р0 - удельное давление колеса автомобиля на поверхность дороги; d - диаметр круга, равновеликого по площади отпечатку следа колеса автомобиля. 147 Вопросы для самопроверки 1. Что такое напряжение в грунтах? 2. Какие напряжения с глубиной затухают, а какие возрастают? 3. Сформулируйте закон Гука. 4. Напишите формулу Ж.Буссинеска. 5. Каков принцип решения пространственной задачи? 6. По какой задаче рассчитываются напряжения от нагрузки, распределенной по трапеции? 7. Что собой представляет график Остерберга? 8. Как определить напряжения под прямоугольной плитой? 9. Какие Вы знаете наиболее распространенные кривые распре- деления напряжений? 10. Как определяются напряжения в неоднородных грунтах? 24. ТЕОРИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО РАВНОВЕСИЯ ГРУНТА 24.1. Деформация грунта при возрастании нагрузки При приложении к грунту нагрузок в нем происходит процесс уплотнения, приводящий к осадке сооружения. Такие условия отве- чают 1-й фазе работы грунта в условиях обеспеченной прочности (рис. 24.1), называемой фазой уплотнения. При дальнейшем увеличении нагрузки начинается прогрессирую- щее нарастание осадки, а в краевых зонах происходит локальное нарушение прочности грунта (2-я фаза). Нагрузка, соответствующая границе между 1-й и 2-й фазами, называется предельной (Р3 = Р„р). При достижении Р5 = Ркр наступает критическая нагрузка (3-я фаза), при которой преобладающее влияние имеют сдвигающие на- пряжения т. Эта фаза называется фазой сдвигов. Рост осадок значи- тельно опережает увеличение внешней нагрузки, поэтому зависи- мость между деформациями и напряжениями имеет нелинейный характер. Последующее увеличение нагрузки сопровождается пла- стическими, или прогрессирующими деформациями. Место приложения нагрузки (к поверхности грунта или углуб- ленной в грунт) оказывает влияние на вид и распределение напря- жений. При приложении нагрузки к поверхности зоны пластиче- ских деформаций они достигают этой поверхности. Под заглублен- 148 ным фундаментом граничные линии замкнуты, не выходят на по- верхность, а пластические деформации возникают при большей на- грузке, чем в первом случае (рис. 24.2). 1>ис 24.1. Стадии осадки сооружения Рис. 24.2. Г раничные линии под нагрузками, приложенными к поверхности и к заглубленному фундаменту 149 Места возникновения зон пластических деформаций зависят от распределения нагрузки на поверхности грунта ( рис. 24.3). В конце процесса уплотнения под нагрузкой начинает формиро- ваться жесткое ядро, которое работает подобно клину, разжимаю- щему грунт в стороны и обусловливающему значительные осадки. В дальнейшем ядро остается неизменным. При таком состоянии преобладают боковые смещения частиц, формируются непрерыв- ные поверхности скольжения, и толща грунта теряет устойчивость. а) б) Рис. 24.3. Места возникновения зон пластических деформаций: а - при равномерно распределяемой нагрузке; б - при трапецеидальной нагрузке 24.2. П о н я т и е о безопасной нагрузке Под безопасной нагрузкой Рб& понимают нагрузку, определен- ную со значительным запасом, и поэтому допустимую для данного сооружения. Безопасная нагрузка соответствует максимальной на грузке на поверхности грунтового массива, при которой в рассмаз риваемой толще не возникают зоны предельного равновесия. Пр проектировании земляного полотна на слабых основаниях его у» тойчивость может быть оценена коэффициентом безопасности К _ ^без без ~ р » *расч ГДеРбез Ррасч 150 - безопасная нагрузка, Па; - нагрузка от веса насыпи, Па. К слабым грунтам относятся илистые и водонасыщенные глини- стые, которые при давлении до 0,3 МПа имеют модуль деформации 5 МПа и относительную влажность > 0,8. Если деформация захватывает весь слой слабого грунта, который начинает отжиматься в стороны, распределение давления на этот грунт производится по эпюре, имеющей вид треугольника, трапеции, равновеликой насыпи и имеющей высоту Р т а х = Р ^ (рис. 24.4). ») W W М W W /// W W W м м ш Рис. 24.4. Схема к расчету устойчивости насыпи на слабом основании Безопасную нагрузку определяют для каждого слоя толщи грун- та по формуле Н.Н.Маслова. Для равномерно распределенной на- грузки безопасная величина может быть определена из выражения Расчет величины расчетной нагрузки производят для двух случаев: 1. Темп отсыпки насыпи превышает скорость осадки. В этом случае расчетная нагрузка определяется из выражения Рбе, = лС, (24.1) где С - сцепление грунта. Для треугольной нагрузки Рбез = 4 С . (24.2) (24.3) 151 где р - плотность грунта; Н р - расчетная высота насыпи; S - осадка насыпи. 2. Интенсивность отсыпки насыпи соответствует скорости осадки В этом случае расчетная нагрузка определяется из выражения Ррасч = Р(НР + Н в ) + pB3B(S - Н г в ) , (24.4) где Нгв - расстояние от поверхности грунта до уровня грунтовых вод; р в з в - плотность ниже уровня грунтовых вод; Н в - толщина условного слоя грунта, заменяющего вес верхнего строения, принимается равной 0,7 м; Нр = Н + Н» + Н,Кв, (24.5) где Н - высота насыпи; Нэкв - толщина эквивалентного слоя грунта, Т1 о н э к в = - , (24.6) Р где о - величина расчетных нормальных напряжений в подошве насыпи от временной нагрузки. При ширине земляного полотна 10 м ст= 12-103 Па; при 12 м ст = 1-Ю4 Па; при 15 м a = 810 sria. Если коэффициент безопасности Кбе» > 1, то насыпь, возведен- ную на торфяном основании, можно считать устойчивой. Если Кбез < 1, необходимо провести расчет, учитывающий трение грунта, форму насыпи и мощность слабого слоя. 24.3. Повышение степени прочности грунта Как было доказано в 21.3, степень прочности сыпучего грунта определяется соотношением угла наибольшего отклонения 9 т а х и угла внутреннего трения ф. Равенство этих углов характеризуется состоянием предельного равновесия. Следовательно, для этого со- стояния условие Ренкина (см. 21.2) может быть записано в виде 152 s i n e m a x = - L - ^ - . (24.7) a , + a 3 Рассмотрим варианта повышения прочности грунта. На любой глубине от поверхности грунтовой толщи, - например, z, - грунт находится под воздействием вышележащих слоев грунта, перекры- вающих данный горизонт. Эта масса создает давление, вызывающее в грунте величину напряжения апр: ацр=Рср-2 , (24.8) где рср - средняя плотность грунта. В этом случае используется принцип наложения главных на- пряжений, согласно которому в любой точке, расположенной на глубине z, помимо главных напряжений О] и аз действует аПр. В этом случае условие прочности Ренкина можно представить в виде • 0 (<*1 + < у ) - ( ? з + Спр) / 0 . 0 Л sin e m a x = -t Ч . (24.9) V ° l + a n p / + V a 3 + ° n p j Подставив вместо аПр его значение, получим s i n 0 max = , ^ , ^ • (24.10) О + СТз+грср-Z Знаменатель этого выражения увеличивается по мере заглубления z, что ведет к уменьшению 9тах и одновременно повышает степень прочности грунта, обеспечивая условие 6тах < ф (допредельное). Теперь рассмотрим ту же задачу, но под фундаментом, заглуб- ленным в грунт на величину h3. Известно, что заглубление фунда- ментов является одним из наиболее простых и эффективных меро- приятий по повышению несущей способности грунта. При заглуб- лении фундамента апр будет иметь вид стпр = Р с р ( 2 + Ь з ) - (24.11) 153 В этом случае предыдущее выражение будет иметь вид sinGmax = ° 3 } , ч - (24.12) a 1 + a 3 + 2 p c p ( z + h 3 j Следовательно, и в этом случае можно сделать вывод, что вели- чина заглубления еще больше снижает угол Gmax, чем в первом слу- чае, что дает возможность соблюсти условие ф > 0тах. Первые два варианта касались сыпучих, т.е. песчаных грунтов, для которых С = 0. В большинстве же случаев грунты обладают не- которым сцеплением, что необходимо учитывать при оценке устой- чивости основания сооружения. Для этого воспользуемся искусст- венным приемом: заменим сцепление в грунте дополнительными силами внутреннего трения за счет некоторого нового дополни- тельного заглубления hc. Тогда C = p c p - h c - t g p , (24.13) где ф - коэффициент внутреннего трения фунта. Отсюда К = — . (24.14) P c p ' t g P Тогда условие прочности сыпучих тел с учетом собственной массы грунта, заглубления сооружения и сцепления примет вид sin0 r a a x = — — ^ ^ (24 15) ° l + с 3 + 2 p c p ( z + h 3 + h c ) На основании приведенных доказательств можно сделать вывод, что степень прочности фунта может быть повышена за счет увели- чения заглубления фундамента и наличия сцепных свойств грунта. 154 Вопросы для самопроверки 1. Назовите фазы работы грунтового основания под возрастаю- щей нагрузкой. 2. Как распределяются напряжения в земляном полотне под на- грузкой, приложенной к поверхности? 3. Нарисуйте схему с обозначением места пластических дефор- маций под трапецеидальной нагрузкой. 4. Что понимают под безопасной нагрузкой? 5. При каком значении Кбез насыпь на слабом основании можно считать устойчивой? 6. В чем заключается принцип наложения главных напряжений? 7. Как определить безопасную величину для треугольной нагрузки? 8. Каким образом можно повысить прочность грунта? 9. Как определить расчетную нагрузку, если темп отсыпки насы- пи превышает скорость осадки? 10. Напишите формулу для условия прочности Ренкина с учетом заглубления фундамента и сцепных свойств грунта. 25. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ 25.1. Теоретические предпосылки Изменение пористости дисперсных грунтов под влиянием на- грузки называют уплотнением Различают уплотнение грунтов: 1) при кратковременном воздействии динамических нагрузок (механическое уплотнение); 2) при длительном действии постоянной статистической нагруз- ки (консолидация). Существует практический предел повышения плотности грунта. Он наступает, когда под действием нагрузки происходит максималь- ное сближение элементарных частиц грунта, сопровождающееся про- цессом частичного разрушения агрегатов. В результате максимально- го уплотнения создастся минимальная и относительно однородная пористость массы взаимно заклинившихся элементарных частиц. Максимальная плотность для данного вида грунта может быть определена из выражения 155 I + "опт P W - 1 0 0 (25.1) где p s - плотность частиц грунта, г/см3; Va - содержание воздуха в грунте при оптимальной влажности: в супеси 6... 8%; суглинках 3... 4%; глинах 4... 5%; WonT - оптимальная влажность, %; p w - плотность воды в грунте. При искусственном уплотнении грунта вода при ее оптимальном содержании в нем играет роль смазки, уменьшающей трение между частицами. При влажности выше оптимальной не только уменьша- ется плотность вследсгвие раздвижки частиц, но и существенно по- нижается прочность высушенных образцов. Выделяют две стадии уплотнения: для песков: 1) в интервале нагрузок 0,1... 10,0 МПа - плотная упаковка за счет переориентации частиц; 2) в интервале нагрузок > 10,0 МПа - уплотнение за счет раст- рескивания и дробления зерен; для глин: 1) уплотнение в интервале нагрузок 5,0... 10,0 МПа в результате удаления свободной и рыхлосвязанной воды; 2) деформация кристаллических структур минеральных частиц (эта стадия начинается при нагрузках 10...20 МПа и характеризует- ся упругими деформациями). Уплотнение грунта приводит к его осадке, поэтому рассмотрим вы- числение осадок по формулам теории линейнодеформируемых тел. Вертикальная деформация элементарного объема линейнодс- формируемого грунта (рис. 25.1) толщиной dz, расположенного на глубине z от поверхности массива, равна 25.2. Уплотнение однородного грунта 156 (25.2) где E - модуль деформации грунта; о х , о у , о 2 - нормальные напряжения, действующие на рассмат- риваемый элементарный объем; V - коэффициент Пуассона. Рис. 25.1. Схема к расчету вертикальной деформации Взяв интеграл этого выражения относительно глубины сжатия, получим о. S = ^ j [ o - z - v ( o - x - o - y ! d z . (25.3) Подставив значения с х , о у , о 7 в (25.3), по формуле Буссинеска и проинтегрировав выражение, получим 2лЕ 1 т2 \ R 1 - v R J (25.4) Это выражение характеризует осадку для любой точки одно- родного грунта. Однако следует учитывать, что горизонтальные напряжения а х и о у быстро падают с увеличением глубины, т.е. уменьшаются значительно быстрее, чем нормальные вертикальные напряжения a z . В вышеприведенной формуле расстояние от точки приложения силы Р до рассматриваемой точки массива 157 R = д/х2 + у2 + z2 Для точек, расположенных на поверхности грунта, при z = 0 по- лученное выражение примет вид где S - осадка грунтового массива под жестким штампом, м; Р - нагрузка, кН; R - расстояние рассматриваемой точки грунтового массива от точки приложения силы Р, м; Су - коэффициент упругого полупространства, Н/м2, где Е у - модуль упругости грунта, Па; v - коэффициент Пуассона. Полученное выражение выведено для осадки поверхности грун- та, причем оно справедливо для точек, расположенных на некото- ром удалении от места приложения Р, поскольку при R = О S об- ращается в бесконечно большую величину. На основании последнего выражения выведены формулы для осадок гибких и жестких загруженных площадок. Осадка гибкой круглой площадки радиусом R (колесо автомоби- ля) в центре (25.5) rcER лСуЯ (25.6) (25.7) на окружности (25.8) где Р0 - равномерно распределенная нагрузка по гибкой круглой площадке. 158 25.3. Уплотнение массива, включающего несколько пластов Общую осадку неоднородного грунта по глубине находят сум- мированием деформаций отдельных слоев, в пределах которых мо- дуль деформации может быть принят постоянным. В этом случае криволинейную эпюру распределения напряжений заменяют сту- пенчатой, ведя расчет в пределах каждого слоя. В общем виде j~»qz-v(qx+gy) S = S ~ (25.9) i=i E i При уплотнении грунта происходит его сжимаемость без воз- можности бокового расширения, следовательно, поперечное сече- ние остается постоянным, а изменяется лишь величина осадки, ко- торая отражается на изменении коэффициента пористости. Поэтому справедливо выражение 1 - Н , = — Н 2 , (25.10) 1 + ej 1 + е2 где Hj и в] - толщина рассматриваемого слоя и коэффициент по- ристости грунта до деформации; H j и e j - после деформации. Отсюда т т 1 + е? Н 2 = Н ! - (25.11) 1 + ej Величина осадки составит S ^ - H ^ H , = (25.12) 1 + ej 1 + ej При определении осадок на насыпных грунтах необходимо учи- тывать нелинейность деформации, характеризуемую компрессион- 159 ной кривой, которая выражается логарифмической кривой. После упрощения этого эмпирического уравнения профессор Н.Н.Иванов получил выражение e 2 = e , - ^ 3 / g P , В (25.13) где $2 ~ коэффициент пористости при нагрузке Р ; е, - коэффициент пористости при Р = 0,001 МПа (для мелких песков и супесей ej= 0,4...0,5; для суглинков и глин e t > 0,65); В - безразмерный коэффициент, характеризующий сжимае- мость грунта и не зависящий от нагрузки (для мелких песков и су- песей В = 25...75; для суглинков и глин В=Ю...15). Подставляем это уравнение в величину осадки и получаем, что общая осадка определяется как сумма осадок отдельных слоев: где Hj - толщина слоя. Это выражение выведено для осадки многослойного грунтового массива, получаемой в результате уплотнения. Воздействие колебаний на грунт снижает его сопротивление нагрузкам. При вибрировании внутреннее трение в грунтах может настолько снизиться, что грунт будет вести себя как вязкая жид- кость. В этом случае предметы с плотностью, большей, чем у грун- та, при вибрировании будут погружаться в грунт, а более легкие - всплывать на его поверхность. При действии вибрации на несвяз- ные грунты происходит их уплотнение. Зная начальный коэффициент пористости в| в основании дорож- ных одежд и коэффициент пористости е^, который может получить (25.14) 25.4. Уплотнение грунтов при воздействии вибрационных и ударных нагрузок 160 фунт в результате длительного динамического воздействия, можно вывести модуль виброкомпрессионного уплотнения е р Д и н = Ю 0 0 (25.15) i Т" Cj Эффективность методов трамбования перед уплотнением грун- тов катками на пневмошинах можно рассматривать на примере данных, помещенных в табл. 25.1. Т а б л и ц а 25.1 Уплотнение грунтов трамбованием и дорожными катками Грунт Предел прочности грунта при сжатии, уплотнении, МПа катками на пневмошинах трамбующими машинами с диаметром ударной части 70... 150 см Несвязные и мало- связные (песчаные, супесчаные) 0,3... 0,4 0,3... 0,7 Средней связности (суглинки) 0,4... 0,6 0,7...1,2 Высокой связности (тяжелосуглинистые) 0,6... 0,8 1,2...2,0 Весьма связные (глинистые) 0 , 8 . . . 1 ,0 2,0... 2,3 25.5. Стандартное уплотнение грунта Сущность метода стандартного уплотнения грунта заключается в послойном уплотнении грунта в стальном сосуде определенных размеров при помощи падающей гири. Впервые инженер Р.Проктор в 1933 году предложил ставший впоследствии стандартным метод определения оптимальной влаж- ности и максимальной плотности. Позже эти испытания стали на- зывать «по Проктору». В настоящее время в западных странах при- меняется метод, разработанный Американской ассоциацией госу- 161 дарственных служащих автомобильных дорог, называемый методом AASHO. Характеристика приборов, применяемых в методах стан- дартного уплотнения различных стран, приведена в табл. 25.2 [16]. Т а б л и ц а 25.2 Характеристика приборов для уплотнения грунтов Характери- стика обо- рудования Метод Союз- дорнии AASHO Инже- нерные войска США Британ- ский стан- дарт Стан- дарт Герма- нии Стан- дарт- ный Моди- фици- рован- ный Форма, мм диаметр, мм 100 102 102 152 105 100 Высота фор- мы, мм 127 116 116 114 115,5 120 Трамбовка масса, кг 2,5 2,49 4,54 4,54 4,50 4,50 Высота па- дения, мм 300 305 457 457 450 450 Количество слоев 3 3 5 5 5 5 Число уда- ров на слой 40 25 25 25 25 25 Вопросы для самопроверки 1. Что такое консолидация грунта? 2. Напишите формулу для определения максимальной плотности грунта. 3. Какие Вы знаете стадии уплотнения песка и глины? 4. Напишите формулу для определения осадки в любой точке однородного грунта 5. В чем заключается метод определения осадки при уплотнении многослойного грунтового массива? 6. Какой метод трамбования или уплотнения дорожными катка- ми наиболее эффективен для глин? 162 7. Что представляет собой модуль виброкомпрессионного уплот- нения? 8. Кто впервые изобрел метод стандартного уплотнения? 9. Как называется отечественный метод стандартного уплотнения? 10. Чем отличается метод СоюздорНИИ от модифицированного AASHO? 26. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ 26.1. Понятие о реологии Реология - это наука, изучающая протекание деформаций различ- ных материалов во времени под действием приложенных к ним сил. Релаксацией грунтов называется постепенное уменьшение на- пряжений в результате перехода при длительном действии нагрузок упругих деформаций в пластические. При быстром возрастании нагрузки сопротивление грунта будет наибольшим, и в нем будут преобладать упругие деформации; при медленном возрастании внешних сил сопротивление грунта станет меньшим, и он будет проявлять свойства ползучести. Ползучестью грунтов называется нарастание деформации во времени при действии на грунт постоянной нагрузки. Различают: затухающую (установившуюся) и незатухающую (прогрессирующую) ползучести (рис. 26.1). 163 На кривой ползучести кроме мгновенной деформации оа следует различать три стадии: 1) отрезок ав - неустановившаяся, или затухающая ползучесть; 2) отрезок вс — установившаяся ползучесть, или пластическое течение с постоянной скоростью деформирования; 3) отрезок cd - прогрессирующее течение со всевозрастающей скоростью деформирования. На первой стадии (затухающей ползучести) происходит закры- тие существующих микротрещин, увеличение числа контактов, бо- лее плотная упаковка грунтовых частиц, уменьшение объема грун- та, т.е. его уплотнение. На второй стадии (пластично-вязкого течения) происходит лишь перестройка структуры при неизменном объеме грунта. На третьей стадии (прогрессирующего течения) увеличивается объем грунта и уменьшается общее его сопротивление из-за появ- ления новых микротрещин, что приводит грунт к хрупкому разру- шению или вязкому течению, сопровождающемуся выдавливанием в стороны от нагруженной поверхности. На основании рассмотренной кривой ползучести различают ха- рактерные показатели грунта: мгновенную, временную и длитель- ную прочности (рис. 26.2). Мгновенная прочность (Ясжо) - это прочность, соответствую- щая мгновенному сопротивлению грунта в самом начале загружения. Временная прочность ( R ^ , ) - это прочность, изменяемая во времени. / Q 4 с^ж, •н 3 ОС «Ч ct СС 164 Рис. 26.2. Кривая длительной прочности Длительная прочность (Rc3tc ) ~ это прочность наименьшего предела при релаксации напряжений, ниже которых сопротивление фунта постоянно. 26.2. Деформация ползучести глинистых грунтов Переход глинистых грунтов в состояние ползучести возможен лишь при превышении сдвигающими напряжениями т некоторого предела, называемого порогом ползучести. Под порогом ползучести понимают такое касательное напряже- ние, при котором деформация ползучести резко интенсифицирует- ся. Порог ползучести можно выразить уравнением (рис. 26.3) (26.1) г, МПа ПОРОГ ползучести Сдвигающее напряжение Рис. 26.3. Зависимость скорости ползучести от сдвигающего напряжения На основании формулы Н.Н.Маслова (21.3) сформулированы критерии ползучести: 1) немедленное разрушение грунта: T > o - t g ^ + c w + c c ; 2) деформация ползучести отсутствует: т < о • t%(p + с с ; (26.2) (26.3) 3) прочность грунта обеспечивается на весь период работы со- оружения: 165 T > a - t g ^ + cc; T 0. Вторым показателем, характеризующим процесс ползучести, яв- ляется коэффициент вязкости грунта, представляющий собой коэффициент пропорциональности между активной частью сдви- гающего напряжения и скоростью деформации: см с- г у | (пуазы), (26.5) где т - общее сопротивление грунта сдвигу, МПа; Tlim ~ порог ползучести, МПа; Н с р - средняя высота образца, м; l)z - скорость деформации, м/с. 166 Коэффициент вязкости грунта используется для определения скорости вязкого течения. По Ньютону, скорость вязкого течения v z на некоторой глубине z от поверхности деформируемого слоя мощностью Н при постоянном значении приложенного к его по- верхности и не изменяющегося по глубине касательного напряже- ния т и при постоянном во времени значении коэффициента вязко- сти грунта г) определяется выражением v z = - ( H - Z ) , м/с. (26.6) Л Вопросы для самопроверки 1. Дайте характеристику реологии. 2. Чем отличается явление релаксации от понятия реологии? 3. Что такое ползучесть? 4. Сколько известно видов ползучести? 5. Нарисуйте кривую ползучести и обозначьте все ее виды. 6. Дайте характеристику временной прочности. 7. Объясните сущность порога ползучести. 8. Выразите через формулу Н.Н.Маслова отсутствие ползучести. 9. Какие глинистые грунты характеризуются порогом ползучести? 10.Что такое коэффициент вязкости грунта? 27. ДЕФОРМАЦИЯ ГРУНТА ПОД КОЛЕСОМ АВТОМОБИЛЯ И ОТВАЛОМ БУЛЬДОЗЕРА Террамеханика - раздел механики фунтов, изучающий сопро- тивление поверхностных слоев фунта образованию колеи катящим- ся колесом. Деформация фунта при качении колеса происходит под дейст- вием приложенных к колесу (рис. 27.1): 1) вертикальной силы веса Q; 2) горизонтального тягового усилия F (на ведомых колесах); 3) вращающего момента М (на ведущих колесах). 167 Рис. 27.1. Схема к определению глубины колеи 27.1. Сопротивление грунта деформированию под катящимся колесом На находящуюся на глубине z элементарную полоску колеса dl шириной В действует реактивное усилие R a = q z B dl. (27.1) Тогда вертикальная проекция реакции грунта будет равна R ^ = q z • В • cos a -dl , (27.2) где а - угол, составляемый направлением реактивного усилия с вертикалью. Суммарное сопротивление грунта вдавливанию колеса при качении Q = J q z B cosa d / , о (27.3) где q z - сопротивление грунта смятию, определяемое по эмпириче- ской зависимости Бернштейна-Летошнева: 168 f N1! z 4z = q Z o (27.4) где qZo - еопропгивление грунта на глубине z 0 . принимаемой рав- ной I см; Т) - параметр, характеризующий возрастание сопротивления фунта сжатию с увеличением глубины колеи; колеблется от 0 до 1 (для рыхлых сухих грунтов 7] = 1). Подставляем значение q z и, проинтегрировав выражение, полу- чаем где Н - глубина колеи. Аналогично суммирование горизонтальных проекций реактив ного сопротивления грунта дает Таким образом, реактивное усилие является равнодействующей горизонтального тягового усилия и вертикальной силы веса и на- правлено под углом к вертикали. Этот угол изменяется в зависимо- сти от сопротивления качению, оказываемого грунтом. Эти усилия создают в грунте поля напряжения, которые складываются и обра- зуют поле напряжений, создаваемое в фунте катящимся ведомым или ведущим колесом (рис. 27.2). Поле напряжений, создаваемое в фунте катящимся ведущим ко- лесом, складывается из напряжений, вызываемых системами сил: 1) горизонтальных, возникающих от давления колеса на грунт при поступательном движении; 2) вертикальных, возникающих от нафузки и собственного веса колеса; 3) сил сцепления с фунтом по площади контакта (из-за крутяще- го момента). Q = q Z o - B 1 - Д - H ^ V d T h , (27.5) v 3 \ (27.6) 169 Для ведомого колеса имеют место только две первые системы сил. Образование колеи при качении колеса может быть представле- но как деформация сжатия при кратковременном воздействии соз- даваемого колесом поля напряжений, перемещающегося со скоро- стью движения. Поскольку продолжительность воздействия колеса меньше времени, необходимого для протекания полной деформа- ции грунта, при повторных проходах глубина колеи возрастает. дедщее колесо Ведущее колесо —1 — * '113 «—• — Q2 01 0 Qf 02 0,3 Q4 0,2 0,1 0 0,1 0,2 ОД 0,4 Расстояние в долях дивметра колеса D Ведомое колесо Ведомое колесо (Гх= const «Ад •J \ V ' / 025' \ > \ 4 1 / 1 1 1 1 —I— 1 * % 1 1 / Рис. 27.2. Изолинии равных напряжений в грунте, деформирующемся под катящимся колесом 27.2. Сопротивление грунтов резанию При взаимодействии рабочих органов землеройных машин с грунтом в зоне их силового воздействия в грунте возникает сложное напряженное состояние (рис. 27.3). 170 Рис. 27.3. Схема резания грунта: а) деформация грунта; 6) схема сопротивления резанию В зоне контакта режущего органа с грунтом возникает концен- трация напряжений, сопровождающаяся пластическими деформа- циями, приводящими к отделению от массива грунта элемента стружки - так называемого тела скольжения, В зависимости от влажности, степени уплотнения и связанности характер деформации грунта различен: 1) твердый сухой или мерзлый грунт откалывается кусками; 2) связный или задернованный грунт подрезается в виде изги- бающего пласта. У песков сопротивление возрастает при увеличении влажности до полной капиллярной влагоемкости. У связных грунтов сопро- тивление снижается при влажности, равной максимальной молеку- лярной влагоемкости. Сопротивление грунтов резанию можно рассмотреть при взаи- модействии на грунт плоского клина (рис. 27.3, б) с углом резания а и задним углом у , исключающим трение задней грани о грунт. Если допустить, что движение клина - установившееся, а сам клин - абсолютно острый, то на его рабочую поверхность будут действовать только две силы: 1) равнодействующая нормальных сил N; 2) сила трения Щ<р • N. Эти силы могут быть сведены к одной суммарной силе 171 N P s = , (27.7) COS^ J которая отклонена от нормали к рабочей поверхности клина на угол трения (р. Проецируя Р2 на оси X и Z, получим горизонтальную силу резания Рх = р . sin (а + (р) = ^ • sin (а + <р) (27.8) cos (р и вертикальную силу резания Pz = Ру • cos(a + <р) = N • cos(a + <р). (27.9) cos (р Сила Рх определяет необходимое тяговое усилие Т = Рх и на- зывается силой резания. Вертикальная сила Pz изменяет свою величину и направление в зависимости от угла резания, угла трения грунта о металл и величи- ны затупления режущей кромки. Найдем отношение ^ - = ctg(a + f>). (27.10) "х При углах резания a < 90° — (р вертикальная составляющая Pz усилия резания направлена вниз, в результате чего происходит затя- гивание клина в грунт. При утлах a > 90° — (р вертикальная составляющая Р2 действу- ет вверх, выталкивая клин в сторону дневной поверхности. Вопросы для самопроверки 1. Что изучает террамеханика? 2. Под действием каких сил происходит деформирование грунта при качении колеса? 3. Напишите формулу Бернштейна-Летошнева. 172 4. Из каких напряжений складывается поле напряжений, созда- ваемое катящимся колесом? 5. Почему глубина колеи возрастает при повторных проходах колеса? 6. Чем отличаются изолинии равных напряжений у ведомого и ведущего колеса? 7. Каков характер деформации грунта под действием отвала зем- леройной машины у влажного песка? 8. Объясните понятие угла резания. 9. Нарисуйте схему воздействия сил на отвал от режущего клина. 10. При каких углах резания будет происходить затягивание кли- на в грунт? 28. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕЛИОРАЦИИ 28.1. Понятие о методах технической мелиорации Техническая мелиорация - это наука, изучающая и разрабаты- вающая методы искусственного изменения свойств горных пород в соответствии с требованиями различных видов строительства. Развитие методов технической мелиорации грунтов идет по двум направлениям: 1) поверхностные методы улучшения грунтов с нарушенным строением используются в целях укрепления грунтов для дорожно- го, аэродромного и гидротехнического строительства; 2) глубинные методы укрепления грунтов в массиве с ненару- шенным строением с инъектированием различных растворов или вязко-жидких веществ используются в целях укрепления грунтов для гражданского и гидротехнического строительства. В технической мелиорации используются два основных понятия: 1) укрепление грунтов; 2) стабилизация грунтов. Укреплением грунтов называют ряд последовательных техноло- гических операций, обеспечивающих в результате воздействия на грунт добавок вяжущих и других веществ высокую прочность и длительную устойчивость как в сухом, так и в водонасыщснном состоянии. Стабилизация грунтов означает сохранение присущих им при- родных особенностей. 173 28.2. Классификация методов технической мелиорации Выделяют три основные группы методов технической мелиора- ции: 1) физико-механические; 2) физико-химические; 3) химические. Физико-механические методы основаны на механическом воз- действии нагрузки на грунт и образуют две группы: механические и физические. 1. Механические методы: 1). Механическое уплотнение дисперсных грунтов статистиче- скими и динамическими нагрузками: 1) гравитационное уплотнение рыхлых отложений: а) наземное уплотнение способом нагрузки песком, гравием, галькой мощностью 2... 3 м для обжатия рыхлых водонасыщенных торфов; б) подводное гравитационное уплотнение при строительстве морг ских и речных сооружений на глинистых илах путем отсыпки песка; 2) уплотнение грунтов укаткой с помощью самоходных или при- цепных катков от 5 до Ю т и более с гладкими кулачковыми валь- цами, на пневматических шинах; 3) уплотнение грунтов трамбованием, осуществляемое последова- тельными ударами падающего груза (трамбовками) массой от 1 до 4 т; 4) уплотнение массива грунтов сваями, осуществляемое за счет уменьшения пористости породы вокруг свай, погруженных в грунт (набивные сваи представляют собой последовательное уплотнение сни- зу вверх грунта внутри полой трубы с одновременным ее поднятием). 2). Сейсмическое уплотнение грунтов (энергией взрыва): 1) уплотнение грунтов глубинными внутренними взрывами, осуществляемое за счет обжатия грунта под действием взрывной волны; применяется при создании в глинистых грунтах подземных емкостей для хранения жидкостей и газов; 2) уплотнение подводными взрывами, которые могут быть по- верхностными и глубинными; применяется для уплотнения водона- сыщенных песчаных грунтов. 3). Виброуплотнение грунтов: 1) поверхностное виброуплотнение, осуществляемое с помощью вибрирующей плиты; уплотнение оснований и одежды дорог и аэ- родромов, песчаных подушек, дамб, плотин, насыпей (на глубину от 20 см до 5...7 м); 174 2) глубинное гидровиброуплотнение, осуществляемое импульс- ной подачей воды, для уплотнения оснований под фундамент, от- дельных участков насыпных плотин (давление в грунте составляет несколько тысяч атмосфер; обязательное условие - подача воды под вибратор). 4). Обезвоживание грунта (осуигение), осуществляемое самотеч- ным дренажом, гидродинамическим дренажом, электроосмотиче- ским методом и электровакуумированием. 5). Водонасыщение грунтов, применяемое для устранения про- садочности лессов. 2. Физические методы: 1). Электрохимическое закрепление - т.е. упрочнение пород с помощью постоянного электрического тока напряжением 60, 110 или 220 В, эффективное для водонасыщенных глинистых, илистых и плывунных грунтов с Кф < 0,1 м/сут (в качестве анода применяет- ся алюминий или железо, катода - медь, алюминий, железо): 1) электрообработка грунтов без введения химических добавок, применяемая при осушении котлованов на грунтах с Кф < 0,0015 м/сут (по периметру забиваются аноды (трубы) и катоды (иглофильтры)); 2) электролитическая обработка грунтов путем нагнетания рас- твора 17%-го хлористого кальция через аноды в грунты с Кф от 0,01 до 0,005 м/сут (сила тока - 145 А при напряжении 120 В); 3) электросиликатизация фунтов путем введения раствора сили- ката натрия в качестве химической добавки для упрочнения плыву- нов и лессов (в грунт через перфорированные трубы нагнетается раствор силиката натрия с хлористым кальцием или без него. Ко- эффициент фильтрации грунтов Кф = 0,1...0,001 м/сут. Раствор об- волакивает частицы фунта, заполняет поры и под воздействием от- вердителя превращается в гель). 2). Термическое уплотнение - т.е. упрочнение грунтов с помо- щью поля положительных температур: 1) глубинный обжиг - термическое упрочнение фунтов с нена- рушенным строением (профев осуществляется при температуре 500...600°С, обжиг - до 1000°С, клинкерование > 1000°С), приме- няемое для упрочнения просадочных лессовых фунтов путем на- гнетания в лессовую породу горячего воздуха (600...900°С) под давлением 1... 2 атм. непосредственно в толще); 175 2) термическое упрочнение грунтов с нарушенным строением, применяемое в дорожном и аэродромном строительстве при отсутст- вии каменных материалов и наличии большого количества топлива. 3). Замораживание грунта - т.е. упрочнение под действием поля отрицательных температур, создающего вокруг котлована прочную монолитную стену (замораживание может быть естественным и ис- кусственным; в скважины устанавливают колонки, по которым циркулирует хладоноситсль - раствор хлористого кальция, газооб- разный аммиак, углекислый газ). Физико-химические методы заключаются в обработке грунтов небольшими дозировками (не более 1... 3%) реагентов, изменяющих обменную способность грунта и поверхность минеральных частиц. Их цель - в изменении структуры грунтов (диспергация, агрега- ция) или защите их естественной структуры (гидрофобизация). Наиболее эффективны для суглинков и глин. В основе теории физико-химических методов лежат следующие явления: Диспергация - ослабление связи между грунтовыми частицами при наличии жидкой фазы, образование глинистых суспензий. Агрегация - процесс сжигания, ведущий к образованию агрега- тов и основанный на процессе коагуляции. Гидрофобизация - ликвидация возможности взаимодействовать с водой путем нейтрализации зарядов поверхностного притяжения воды. К физико-химическим методам относятся: 1. Кольматация и глинизация грунтов: 1) кольматация - процесс заполнения порового пространства грунта мелкими пылеватыми и глинистыми частицами, находящи- мися во взвешенном состоянии в фильтрующейся воде; 2) глинизация, или тампонаж - вмыв глинистых суспензий в по- ры и трещины пород под давлением до 20 атм. и более. 2. Улучшение грунтов гранулометрическими добавками - т.е. подбор оптимальных смесей путем глинования и пескования. 3. Солонцевание грунтов - искусственная диспергация суглини- стых и глинистых пород путем замены в их поглощающем ком- плексе обменных многовалентных катионов (кальция и магния) на одновалентные (натрия и калия). 176 Химические методы основаны на введении в грунт химических реагентов. Упрочнение фунтов при этом происходит в результате из- менения их состава и характера структурных связей. Характер измене- ния свойств фунтов сводится к значительному увеличению прочно- сти, водо- и морозостойкости, уменьшению водопроницаемости. Основными процессами, приводящими к образованию новых структурных связей, являются: адсорбция, ионный обмен, коагуля- ция, диспергация, полимеризация, поликонденсация, кристаллиза- ция, гидратация, гидролиз и ряд других сложных химических реак- ций. При этом необходимо достигнуть высокой адгезии и когезии между фунтом и вяжущим. Полимеризация — это реакция соединения нескольких молекул (мономеров), протекающая без изменения элементарного состава и не сопровождающаяся выделением побочных продуктов. Поликонденсация - реакция соединения нескольких молекул одинакового или различного строения, сопровождающаяся выделе- нием простейших низкомолекулярных веществ. Адгезия (прилипание) - возникновение связи между поверхност- ными слоями двух разнородных тел, приведенных в соприкосновение. Когезия (сцепление) - молекулярное взаимодействие частей од- ного и того же физического тела, приводящее к объединению этих частиц в единое целое. К химическим методам относятся: 1. Упрочнение грунтов органическими вяжущими веществами: 1) битумизация фунтов: холодная битумизация осуществляется на грунтах с Кф = 10... 100 м/сут, горячая - при ширине раскрытия трещин 0 , 2 . . . 1мм; при этом применяются материалы: битумы, би- тумные эмульсии, битумные пасты; 2) упрочнение грунтов синтетическими полимерными смолами: фенолформальдегидными, мочевиноформальдегидными (карбамид- ными), фенолфурфурольными, фурфуроланилиновыми и др. 2. Упрочнение грунтов минеральными вяжущими веществами: портландцсментами (цементация); известью (известкование); шлаками и шлаковыми цементами; гипсовыми и ангидритовыми вяжущими. 3. Силикатизация - упрочнение фунтов растворами силиката натрия (жидкого стекла). Применяются: 1) однорастворная силикатизация (введение в грунт раствора, со- стоящего из двух или трех компонентов с замедленным временем гелеобразования); 177 2) двухрастворная силикатизация (поочередное нагнетание рас- творов силиката натрия и хлористого кальция); 3) газовая силикатизация (в качестве отвердителя жидкого стек- ла применяется углекислый газ). Вопросы для самопроверки 1. Что означает техническая мелиорация грунтов? 2. Чем отличается укрепление грунтов от их стабилизации? 3. К каким методам относится уплотнение грунтов укаткой? 4. За счет чего происходит сейсмическое уплотнение грунтов? 5. На каких грунтах возможно водонасыщение как способ уп- рочнения грунта? 6. Что такое обжиг грунта? 7. Сформулируйте понятие диспергации. 8. В чем отличие адгезии от когезии? 9. Какие методы относятся к химическим? 10. Какие минеральные вяжущие применяются для укрепления грунтов? 29. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ 29.1. Требования к укрепленным грунтам Укрепленные грунты должны обладать определенными техниче- скими показателями: 1) механической прочностью, характеризуемой модулем де- формации или модулем упругости, пределом прочности при сжа- тии, сопротивлением сдвигу; 2) водоустойчивостью, характеризуемой сохранением механи- ческой прочности при насыщении водой; 3) морозостойкостью, характеризуемой показателями прочности и влагоемкости после многократного переменного воздействия отри- цательной и положительной температуры на увлажненные образцы. Чтобы получить высокие прочностные показатели укрепленного грунта, необходимо создать условия для протекания процессов структурообразования, в результате которых обеспечивалась бы необратимая устойчивая связность, высокая прочность и стабильная плотность укрепленного грунта. 178 При введении в грунт вяжущих материалов (цемента, битума, смолы) возникают сложные физико-химические и химические взаи- модействия с вяжущим материалом, в результате чего происходит коренное качественное изменение и улучшение физико-механиче- ских свойств грунта. Однако максимального эффекта можно ожидать при условии тщательного и равномерного распределения в нужном количестве вяжущего материала с последующим уплотнением всей массы обработанного грунта при оптимальной влажности. Высокая прочность укрепленного грунта зависит от: 1) факторов, определяющих свойства материалов, - химического и минералогического состава грунта и активности вяжущего; коли- чества вяжущего; характера взаимодействия грунта с вяжущим ве- ществом; 2) факторов, зависящих от технологии работ, - влажности и тем- пературы смеси; качества разрыхления, точности дозирования, рав- номерности перемешивания и увлажнения; плотности готовой смеси; условий последующего режима твердения и структурообразования. Заданная прочность укрепленного грунта должна быть обеспе- чена с наименьшим расходом вяжущих материалов. 29.2. Вяжущие материалы для укрепления грунтов С момента возникновения структуры и в ходе ее развития и уп- рочнения различают три типа структур: 1) коагуляционные; 2) конденсационные; 3) кристаллизационные [17]. Коагуляционные структуры - простейший вид, в котором части- цы дисперсной фазы образуют беспорядочную пространственную сет- ку в результате столкновений в тепловом (броуновском) движении. Они обладают следующими свойствами: наименьшей прочностью; предельной тиксотропностью (полной обратимостью разрушения); пластичностью; способностью к ползучести; высокой эластичностью. Конденсационные структуры возникают при действии наи- больших сил сцепления - химических. Они образуются из коагуля- ционных структур в случае их дегидратации (отнятия воды от ве- щества). Обладают: прочностью, хрупкостью, упругостью, отсутст- вием тиксотропных свойств. 179 Кристаллизационные структуры являются наиболее прочны- ми и водоустойчивыми. Образуются в результате сращивания кри- сталликов новой твердой фазы, возникающей из перенасыщенного раствора. Вяжущие материалы, вводимые в грунт, разделяются на три группы: 1. Вяжущие, способные к самостоятельному струкгурообразова- нию с получением наиболее прочных и стойких структур - конден- сационных и кристаллизационных (цемент с добавками и без них, синтетические смолы типа карбамидных). 2. Вяжущие, не способные к самостоятельному образованию прочных водостойких структурных связей (известь и фурфуролани- линовая смола), образующие кристаллизационные и конденсацион- ные структуры. 3. Органические материалы (жидкие битумы и битумные эмуль- сии), образующие коагуляционные структуры. Если повышение прочности укрепленного грунта в 1-й группе связано с увеличением содержания в нем вяжущего в широком диа- пазоне (от 2...3 до нескольких десятков процентов), во 2-й группе - до некоторого предела (несколько процентов в смеси), после кото- рого показатели прочности остаются неизменными или постепенно уменьшаются, то в 3-й группе содержание вяжущего имеет опти- мальное значение, выше и ниже которого свойства укрепленного грунта резко ухудшаются. 29.3. Классификация грунтов по степени пригодности для укрепления вяжущими материалами Все грунты по степени их пригодности для укрепления вяжущи- ми материалами подразделяются на три группы (рис. 29.1): 1) пригодные; 2) условно непригодные; 3) непригодные. Пригодные грунты подразделяются на четыре подгруппы: IA, 1Б, IB, 1Г. Подгруппа IA включает крупно- и мелкообломочные грунты в есте- ственном виде, наиболее пригодные для укрепления любыми метода- ми (характеризуются наиболее высокими показателями прочности). 180 5 w СО 100 § да 80 =1 70 ь- 1 60 < * > — * » 50 « * « 30 CU § 20 о 10 айт 'я<МЙ Грявмй Песок пыль ГРШ. КИЯМ тit ИМПШрЮ. ф Ч N \ <е>— (Л) \ 1РЦГ0ДНЫ6 N \ N Непригодные \ % / л . л \ ч 4 к V. ® ч > \ © ч V '/А N N <Л> '/Л Ш ч. N Условно X N > 1 % 'У/ N непригодные У/с % / / / « *ч 1 1 \ /уГ> 100 50 20 10 5 2 \ 0.5 04. Q05 Q.02 0,01 OJXfSOfiOlOfiQ] Рдзмвры частщ, мм Рис. 29.1. Классификация грунтов по степени пригодности Подгруппа 1Б включает песчаные, супесчаные и легкосуглини- стые грунты, а также песчано-глинистые смеси оптимального гра- нулометрического состава. Подгруппа IB включает суглинистые и тяжелосуглинистые грун- ты пылеватых и непылеватых разновидностей, характеризуемые ограниченной пригодностью (для них рекомендуется применение комплексных методов). Для тонкого размельчения этих грунтов не- обходимо использовать многократные однопроходные грунтосме- сительные машины или стационарные установки. Подгруппа 1Г включает песчанистые и пылеватые глины, кото- рые являются условно пригодными для укрепления. Грунты, вклю- ченные в эту подгруппу, допускается подвергать укреплению лишь при использовании добавок активных веществ. Условно непригодные грунты. Эта группа включает крупнооб- ломочные несвязные каменные породы, не пригодные для укрепле- ния лишь по причине малого содержания песчано-глинистых фрак- ций. Крупные обломки могут вызвать поломку рабочих органов грунтосмесительных машин. 181 Непригодные грунты представлены жирными высокопластич- ными глинами, обладающими большой связностью в сухом состоя- нии. Такие грунты требуют колоссальных затрат механической энергии на обработку и чрезмерного расхода вяжущего, что эконо- мически невыгодно. Вопросы для самопроверки 1. Какие технические показатели характеризуют укрепленные грунты? 2. От чего зависит прочность укрепленного грунта? 3. Как изменяется прочность в зависимости от процентного со- держания вяжущего, относящегося к 3-й группе? 4. Дайте характеристику конденсационной структуры. 5. Перечислите факторы, повышающие прочность укрепленного грунта и зависящие от технологии работ. 6. Какие вяжущие относятся к 1-й группе? 7. Как разделяются группы по степени пригодности? 8. Какие грунты объединяет группа 1Б? 9. Какие грунты относятся к условно непригодным? 10. Какова основная причина отнесения жирных глин к непри- годным для укрепления? 30. УКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ МИНЕРАЛЬНЫМИ И ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЯЖУЩИМИ 30.1. Укрепление грунтов минеральными вяжущими В качестве минеральных вяжущих для укрепления фунтов ис- пользуются цемент и известь. Портландцемент представляет собой гидравлическое вяжущее, получаемое путем обжига до спекания сырьевой смеси. Он содер- жит в себе несколько минералов: алит 3Ca0Si02(C3S) - 40... 65%; белит 2Ca0Si02(C2S) - 15... 40%; трехкальцисвый алюминат ЗСаО-А12Оз(СзА) - 3... 15%; четырехкальциевый алюмоферриг 4Ca-Al203-Fe203(C4AF) - 10... 20%. 182 При цементации грунтов происходят следующие процессы: 1) химические - гидратация и гидролиз цементных зерен; 2) физико-химические - обменные поглощения продуктов гидро- лиза цемента тонкодисперсной частью грунта, необратимая коагу- ляция, микроагрегирование, цементация; 3) физические и механические - размельчение грунта и переме- шивание с цементом. Гидратация - присоединение молекул воды к молекулам вещества. Гидролиз - химическое взаимодействие вещества с водой, при ко- тором сложное вещество распадается на два или более новых веществ. В процессе структурообразования (гидратации и гидролиза це- мента) происходит переход в раствор гидрата окиси кальция, пере- сыщение им раствора и образование гидроалюминатов, гидросили- катов кальция и других гидратов. Возникшие кристаллы начинают расти, переплетаться между собой и сращиваться, формируя кри- сталлизационную структуру. Наибольшее влияние на свойства цементогрунта оказывают сле- дующие факторы: 1) гранулометрический, минералогический и химический состав грунта; 2) химико-минералогический состав цемента; 3) технологические параметры: дозировка цемента и воды, уп- лотнение и режим твердения. Для укрепления грунтов цементом необходимо не менее 8% и не более 18...20% минерального вяжущего. Прочность укрепленного грунта в зависимости от класса колеблется от 1,0 до 6,0 МПа, коэф- фициент морозостойкости - от 0,65 до 0,75. Известь - продукт, получаемый из известковых карбонатных пород обжигом до полного удаления углекислоты и состоящий из оксида кальция. Различают виды воздушной извести: негашеная — кипелка и га- шеная (гидратная) — пушонка. Процесс гашения идет с выделени- ем тепла: СаО + Н20 -> Са(ОН)2 + 15,5 ккал. При гашении 1 кг извести выделяется 277 кал, объем при этом увеличивается в 2...2,5 раза. Известь применяется как добавка при комплексном укреплении. 183 Оптимальное количество гашеной извести (в пересчете на Са(ОН)2) для различных грунтов находится в пределах от 5 до 12%. Применение негашеной извести дает больший эффект, однако надо строго соблюдать правила безопасности. Гашеная известь дает наибольший эффект при введении ее в гравий с пылевато-глини- стым заполнителем, тяжелыми суглинками и глинами. При этом известь вступает в химическое и физико-химическое взаимодейст- вие с тонкодисперсными частицами. Для укрепления глинистых переувлажненных грунтов, имеющих влажность на 4...6% выше оптимальной, эффективно применять молотую негашеную известь. Сланцевую золу-унос сухого отбора в качестве самостоятельного вяжущего надлежит применять при укреплении крупнообломочных грунтов оптимального и неоптимального гранулометрического со- става, супесей, песков гравелистых, крупных, средних, мелких. До- зировку золы назначают не менее 15...20% в сочетании с 4...6% цемента или 5... 8% извести от массы смеси. 30.2. Укрепление грунтов органическими вяжущими В качестве органических вяжущих для укрепления грунтов ис- пользуются: битумы (жидкие, эмульсии, пасты) и синтетические высокомолекулярные соединения. Метод битумизации основан на введении битума в вязко-жид- ком, эмульсионном и пастообразном состояниях. Битумизация по- род подразделяется на горячую и холодную. Горячая битумизация применяется для закрепления трещинова- тых пород с раскрытием трещин до 0,1... 1мм, холодная - для граве- листо-песчаных и песчаных пород с Кф от 10 до 100 м/сут. Эмульсиями называются дисперсные системы, состоящие из двух взаимно нерастворимых веществ, из которых одно распреде- лено в другом в виде мелких частиц. Принципиальным отличием технологии укрепления грунтов би- тумами от технологии укрепления минеральными вяжущими явля- ется сохранение в грунте при его измельчении наиболее прочных агрегатов размером 2... 4 мм. Грунты, укрепленные битумом, по природе структурных связей относятся к коагуляционным структурам. Наилучшие результаты достигаются при укреплении супесчаных и легкосуглинистых грун- 184 тов. Непригодны для укрепления битумами тяжелые суглинки, пы- леватые глины и песчаные грунты. Битумные эмульсии, приготовленные с твердыми порошкооб- разными эмульгаторами, называют пастами. Синтетические смолы (фенолформальдегидные, мочевинофор- мальдегидные, фенолфурфурольные, анилиноформальдегидные) об- ладают комплексом положительных качеств: 1) высокими адгезионными и когезионными связями; 2) регулируемым и быстрым отверждением смолы; 3) высокими прочностными свойствами; 4) сравнительно небольшим расходом смолы. Синтетические смолы должны отвечать следующим требованиям: 1) растворимость в воде при введении в грунт; 2) нерастворимость в воде и несмачиваемость после отверждения; 3) хорошая адгезия (прилипаемость); 4) высокие механические свойства; 5) способность самопроизвольно растекаться по поверхности ув- лажненного грунта; 6) относительная дешевизна. Для укрепления синтетическими смолами наиболее пригодны грунты оптимального гранулометрического состава с рН < 7,0, не- пригодны карбонатные тяжелые суглинки, легкие и тяжелые суг- линки, глины. 30.3. Комплексные методы укрепления Комплексные методы сочетают в себе положительные качества отдельных вяжущих веществ и устраняют их отрицательные осо- бенности. В задачу комплексных методов входит: 1) расширение видов грунтов, пригодных для укрепления; 2) обеспечение оптимальных условий для процессов твердения и структурообразования; 3) расширение продолжительности сезона строительства; 4) применение укрепленных грунтов на дорогах различных тех- нических категорий. Комплексному укреплению поддаются практически все генети- ческие типы грунтов. 185 Характерной особенностью комплексных методов укрепления является формирование структурно-механических свойств смешан- ного типа с преобладанием жестких (кристаллизационных) или пла- стичных (коагуляционных) типов структур. В качестве добавок при комплексном укреплении грунтов с ис- пользованием цемента как основного вяжущего наиболее часто применяются следующие вещества: известь, хлористый кальций, электролиты, едкий натрий, гипс, а также ряд поверхностно-актив- ных веществ. Известь (гашеную Са(ОН)2 или молотую негашеную СаО) ис- пользуют при укреплении грунтов, когда обработка одним цемен- том не дает эффекта (кислых или солонцовых глин и тяжелых суг- линков, а также супесей и песков, имеющих рН меньше 6), в целях обеспечения оптимальных условий струкгурообразования и повы- шения прочности и долговечности цемснтогрунта. Хлористый кальций применяют в случае производства работ при отрицательной температуре, при укреплении тяжелых суглинков, кислых или гумусированных песчаных грунтов. Силикат натрия (натриевое жидкое стекло) при введении в ка- честве добавки химически взаимодействует с гидратом извести, вы- деляющимся в процессе гидролиза цемента, что повышает проч- ность цементогрунта, ускоряет его твердение, снижает расход це- мента при укреплении супесчаных и суглинистых грунтов, пре- имущественно - карбонатных разновидностей. Добавка кремнийорганических соединений (метилсиликоната на- трия ГКЖ-11, этилсиликоната натрия ГКЖ-10, полиэтилгидроси- локсана ГЮК-94) приводит к возникновению химической адсорб- ции этих реагентов поверхностью элементарных минеральных час- тиц и появлению на них мономолекулярных или полимолекулярных водоотталкивающих кремнийорганических полимерных пленок. В процессе взаимодействия происходит сложный обмен между актив- ными группами гидрофобизатора и поглощающим комплексом тон- кодисперсной части грунта; при этом протекают реакции полимери- зации и поликонденсации. Добавка кремнийорганических веществ при укреплении грунтов цементом в количестве 0,3...0,7% по весу грунта придает несмачи- ваемость (гидрофобность) поверхности частиц. 186 Придание песчаным, супесчаным и легкосуглинистым цементог- рунтам гидрофобное™, а следовательно, повышенной морозоустой- чивости, деформативности, теплоустойчивости может быть обеспе- чено добавками цемента и битумной эмульсии или битумно-извест- ковой пасты. Предварительная обработка связных грунтов известью до введе- ния битумного вяжущего приводит к активации поверхности грун- товых частиц, улучшению адгезии битума и резкому снижению во- допоглощения и набухания смеси при уменьшении расхода основ- ного вяжущего - битума. Вопросы для самопроверки 1. Какие процессы происходят при цементации грунтов? 2. Чем отличается гидролиз от гидратации? 3. Как происходит структурообразование цементогрунта? 4. Какими явлениями сопровождается гашение извести? 5. На каких фунтах применяется горячая и холодная битумизация? 6. Какими положительными свойствами обладают синтетические смолы? 7. Дайте характеристику комплексным методам укрепления грунтов. 8. Что входит в задачу комплексных методов? 9. Какие Вы знаете комплексные методы с использованием в ка- честве основного вяжущего цемента? 10. Какие Вы знаете комплексные методы с использованием в качестве основного вяжущего битума? 31. СЫРЬЕ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОБОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ 31.1. Сырье для строительных материалов В качестве сырья для производства строительных материалов используются следующие встречающиеся в природе материалы. Песчано-гравийный материал для бетона, дорожного строитель- ства и силикатных изделий. В республике разведано более 50 место- рождений с запасами свыше 242 млн. м3. На базе 15 месторождений с общим запасом 70 млн. м3 работает 7 крупных предприятий. 187 Цементное сырье. Основной вид минерального сырья, исполь- зуемого для изготовления цемента, - доброкачественные глины и мел или меловой мергель. Разведано 5 месторождений мела с запа- сами 281 млн. т и 8 месторождений глин с запасам 65 млн. т. На ба- зе этих месторождений работают Кричевский и Волковыский це- ментные заводы. Известковое сырье. Для производства извести используются мел и доломит. Разведано 36 месторождений мела с общим запасом 152 млн. т и 4 месторождения доломитов с общим запасом 53 млн. т. Строительный камень. На территории республики залегает в виде россыпей, разбросанных ледником (в основном, в северных районах), или в виде коренной залежи, представляющей собой сплошной массив. На базе месторождения «Микашевичи» (запас - 294 млн. т) работает дробильно-сортировочный механизированный карьер по выпуску фракционированного щебня. Огнеупорные и тугоплавкие глины. Служат сырьем для произ- водства шамотного кирпича, канализационных труб, керамики. Раз- ведано 5 месторождений с общим запасом 63 млн. т (в Брестской и Гомельской области). Каолины, или белые глинистые породы, - древние отложения, залегающие на больших глубинах. В районе г. Житковичи выявлено 3 месторождения с общим запасом 9 млн. т. Каолины применяются в бумажной, фарфоро-фаянсовой, огнеупорной и алюминиевой про- мышленности. Кирпичное сырье и сырье для аглопорита и керамзита. Глини- стое сырье идет на изготовление кирпичей, черепицы, облицовоч- ной керамики, посуды, глинистых растворов, паст. Всего разведано 375 месторождений с общим запасом 156 млн. м3. На их базе рабо- тают свыше 230 кирпичных заводов. Особое промышленное значе- ние имеет месторождение «Гайдуковка» вблизи Минска. Запасы его высокосортных глин составляют 71 млн. м3. Стекольные и формовочные пески. В республике имеется око- ло 6 месторождений стекольных песков. Наиболее крупным являет- ся месторождение в Тереховском районе Гомельской области с об- щим запасом 53 млн. т (формовочные пески - 46 млн. т, стеколь- ные - 7 млн. т). Помимо сырья для строительных материалов Республика Бела- русь обладает целым рядом полезных ископаемых. 188 В 1964 г. вблизи г. Речицы Гомельской области с глубины 2000 м был получен первый фонтан нефти, расход которого составил 144 м3 в сутки. Вскрыты и другие нефтеносные горизонты на глубинах 2600 и 2900 м. По своему качеству белорусская нефть относится к типу легких (удельный вес - 0,896) и не уступает украинской, ба- кинской и другим. В республике имеются такие месторождения калийных солей, как Старобинское, Петриковское, Любанское, прогнозные запасы которых составляют около 40 млрд. т. Содержание хлористого ка- лия в солях колеблется от 13 до 55 %. В Беларуси известны 3 месторождения каменной соли. Самое крупное из них - Мозырское с запасом 480 млн. т. Железные руды. На территории республики выявлено несколько магнитных аномалий, приуроченных к докембрийским породам. Большой интерес представляет Корсличская полоса магнитных аномалий со средней глубиной залегания 155 м. Ее запасы оцени- ваются в 520 млн. т. Медь. В Брестской области вскрыты породы верхнего протеро- зоя, представленные, в основном, туфами. Медная минерализация приурочена к трещинам в туфах, по которым наблюдаются скопле- ния халькопирита. Содержание меди колеблется от 0,5 до 3% (ми- нимальное промышленное содержание меди в аналогичных типах р у д - 0 , 8 . . . 1 % ) . Каменные угли. Вскрыто 10 пластов рабочей мощностью от 0,5 до 1,3 м. Угли имеют зольность от 16,5 до 42% с теплотворной спо- собностью 4000...6000 кал/кг, что характерно для энергетических углей удовлетворительного качества. Прогнозные запасы оценива- ются в 3,5 млрд. т. Бурые угли. У г. Кобрина в более молодых третичных отложени- ях выявлены бурые угли, запасы которых определены в 20 млн. т на глубинах от 30 до 80 м при мощности пластов до 10 м. Горючие сланцы. В толще девонских и третичных отложений в районе Давид-Городка, Турова, Любани на глубинах 140...350 м залегает несколько пластов горючих сланцев, мощность которых - от 3 м и более. Теплотворная способность сланцев - 1600 кал/кг, зольность - 65%, прогнозные запасы - около 13 млрд. т. Фосфориты. В восточной части Могилевской области выявлены 4 участка, на которых распространены фосфориты, залегающие на 189 глубине 13...80 м. Запасы фосфоритов составляют 68 млн. т. Со- держание фосфорного ангидрита в руде колеблется в пределах от 5 до 8,5%. 31.2. Перспективные разработки По содержанию растворенных солей подземные воды подразде- ляются на: 1) пресные (содержание растворенных солей < 1 г/л); 2) солоноватые (1... 10 г/л); 3) соленые (10... 50 г/л); 4) рассолы (> 50 г/л). Морская вода содержит около 37% растворимых солей, питьевая - не более 1 г/л. Подземные рассолы. На территории Припятского Полесья най- дены вместе с нефтью подземные рассолы. Объем рассолов в недрах республики оценивается в 2 тыс. кубо- километров. По подсчетам специалистов в них содержится: магния - 17 млрд. т.; брома - 6,5 млрд. т.; стронция - 3,5 млрд. т.; иода - 40 млн. т. Редкоземельные элементы. В угольных отложениях найдены промышленные концентрации молибдена, рения, селена, скандия. Алмазы. Месторождения алмазов связаны со специфическими глубинными магматическими породами - кимберлитами, которые залегают в виде конусообразных тел, называемых трубками взрыва. В них находятся алмазы в виде единичных редких кристаллов раз- личных размеров и качества. Известны трубки взрыва на Жлобин- ской и Полесской седловинах. 31.3. Отходы и побочные продукты для укрепления грунтов Отходы производства - это неликвидные остатки сырья и мате- риалов, не использованные для производства товарной продукции. В качестве самостоятельных вяжущих веществ могут приме- няться следующие материалы, являющиеся отходами и побочными продуктами промышленных предприятий республики: 1) фосфогипс - отход при производстве фосфорных удобрений; 2) сланцевая зола-унос сухого отбора, полученная после сжига- ния горючих сланцев; 190 3) остаточный продукт испарительной камеры при производстве диметилтерефталата (ДМТ-ик). Фосфогипс образуется при переработке природных апатитовых и фосфоритовых пород в удобрение при производстве борной ки- слоты и фтористых соединений. Он состоит, в основном, из двувод- ного и полуводного гипса или ангидрита, содержание которых 80...98% по массе. В качестве вредных примесей в фосфогипсе присутствуют ки- слоты и фториды, обусловливающие рН = 2...5 и вызывающие по- вышенную сорбцию паров воды в изделиях, пониженную морозо- стойкость и прочность. На Гомельском химическом заводе производилось до 480 тыс. тонн в год. Сырой фосфогипс не оказывает положительного эффек- та при укреплении грунтов, однако после термической обработки при t = 170°С он приобретает свойства вяжущего материала. Для укрепления грунтов установлена оптимальная дозировка фосфогип- са, соответствующая 20... 30% от веса грунта. Сланцевая зола представляет собой тонкодисперсный материал, образующийся на тепловых электростанциях в результате сжигания горючих сланцев в топках котлоагрегатов, осаждаемый золоулавли- вающими устройствами из дымовых газов. На Эстонской и Прибал- тийской ГРЭС ежегодно образуется до 10 млн. т сланцевой золы. Особенностью сланцевых зол по сравнению с золами, образуемыми от сжигания каменных или бурых углей, является содержание в них большого количества сульфатов и оксида кальция. ДМТ-ик является отходом Могилевского комбината синтетиче- ского волокна. Выпуск этого продукта на начало 90-х годов дости- гал 3500 т/год. На основе ДМТ-ик получали термопластичные бето- ны, напоминающие по своим свойствам асфальтобетоны. В качестве поверхностно-активных добавок могут использоваться: 1) жировой гудрон - отход Гомельского жиркомбината; 2) кубовый остаток регенерации этиленгликоля (КО РЭГ) - от- ход Могилевского комбината синтетического волокна; 3) тяжелое жидкое топливо и сине-зеленое масло - отходы По- лоцкого химкомбината; 4) амбарная нефть Речицкого нефтепромысла; 5) пыль-унос цементных заводов; 6) отходы асбесто-шиферного производства (асбестит); 191 7) фильтрпресная пыль - побочный продукт сахарных заводов; 8) отходы производства калийных солей (ОПКС) Солигорского калийного комбината; 9) сульфитно-спиртовая барда - отход целюлозно-бумажного производства. Вопросы для самопроверки 1. Назовите сырье и его запасы, применяемые в дорожном строи- тельстве. 2. Что является сырьем для производства цемента и каково его наличие в республике? 3. Назовите самое крупное месторождение строительного камня. 4. Какие Вы знаете полезные ископаемые, залегающие в недрах Беларуси? 5. Дайте характеристику белорусской нефти. 6. Какие полезные ископаемые являются перспективными в рес- публике? 7. Что такое рассолы? 8. С какими геологическими породами связано залегание алма- зов в земной коре? 9. Какие отходы могут быть использованы в качестве самостоя- тельных вяжущих для укрепления грунтов? 10. Какие отходы могут служить в качестве поверхностно-актив- ных добавок? Л и т е р а т у р а 1. Земля: Энциклопедия. - М.: Педагогика, 1971. - 447 с. 2. В ы р к о Н. П., Л е о н о в и ч И. И. Дорожное грунтование с основами механики грунтов. - Мн.: Выш. школа, 1977. - 223 с. 3 . М а с л о в Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. - Мн.: Выш. школа, 1982. - 511 с. 4. С е р г е е в Е. М. Инженерная геология. - М.: Изд-во Мос- ковского университета, 1982. - 248 с. 5 . Н е ч и п о р е н к о Л. А. Условия залегания и тектоническая предопределенность антропогенового покрова Белоруссии. - Мн.: Наука и техника, 1989. - 113 с. 192 6. Б а б а с к и н Ю. Г. Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог. - Мн.: БГПА, 2001. - 223 с. 7. Л е о н о в и ч И. И., В ы р к о Н. П. Механика земляного по- лотна. - Мн.: Наука и техника, 1975. - 232 с. 8. Я р о м к о В. Н. Дорожные насыпи на болотных грунтах. - Мн.: Изд-во НПО «Белавтодорпрогресс», 1998. - 400 с. 9 . К о с т ю к е в и ч Н. И. Охрана природы. Природные ресурсы Белоруссии и их рациональное использование. - Мн.: Выш. школа, 1969. - 392 с. 10. Д у б а х Г. В., Т а б е р Р. В. Тысяча один вопрос об океане и тысяча один ответ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 188 с. П . Ч а п о в с к и й Е. Г. Инженерная геология. Основы инже- нерно-геологического изучения горных пород. - М., 1975. - 210 с. 1 2 . Г о р е л ы ш е в Н. В. Материалы и изделия для строитель- ства дорог: Справочник. - М.: Транспорт, 1986. - 288 с. 13. Л е о н о в и ч И. И. Автомобильные лесовозные дороги. - Мн.: Выш. школа, 1965. - 395 с. 14. К о т о в М. Ф. Механика грунтов в примерах. - Мн.: Выш. школа, 1968 - 246 с. 15. Б а б к о в В. Ф., Б е з р у к В. М. Основы грунтоведения и механики грунтов. - М.: Высш. школа, 1986. - 239 с. 1 6 . Ф о р с с б л а д Л. Вибрационное уплотнение грунтов и ос- нований. - М.: Транспорт, 1991. - 156 с. 17. Б е з р у к В. М., Е л е н о в и ч А. С. Дорожные одежды из укрепленных грунтов. - М.: Высш. школа, 1969. - 330 с. 18. Инструкция по укреплению грунтов сланцевыми золами в ус- ловиях БССР. ВСН 32-82. Миндорстрой БССР. - Мн., 1983. - 43 с. 19. Г о д о в и к о в А. А. Минералогия. - М.: Недра, 1975. 193 С о д е р ж а н и е В в е д е н и е 3 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ.. . . 6 1.1. Краткая историческая справка 6 1.2. Современные сведения о строении земного шара 7 1.3. Геологическая хронология 8 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕРРИТОРИИ БЕЛАРУСИ 11 2.1. Инженерно-геологическое районирование территорий.... 11 2.2. Щиты и плиты древних и молодых платформ 12 2.3. Кристаллический фундамент Республики Беларусь 15 2.4. Основные особенности рельефа кровли антропогенового покрова 17 3. ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ 19 3.1. Характеристика силикатов и алюмосиликатов 19 3.2. Первичные и вторичные минералы 22 4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД 25 4.1. Основные подразделения пород по генетическим признакам 25 4.2. Минералы, определяющие химический состав магматических пород 25 4.3. Классификация магматических пород 26 4.4. Характеристика важнейших представителей класса 28 5. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПОРОД 30 5.1. Метаморфизм и его природа 30 5.2. Характеристика основных представителей метаморфических пород 33 5.3. Трещиноватость горных пород 33 6. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД 35 6.1. Происхождение осадочных пород 35 6.2. Петрографический состав осадочных пород 36 6.3. Грунты и их классификация 37 7. ЭНДОГЕННЫЕ И ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ВЫЗВАННЫЕ ИМИ ЯВЛЕНИЯ 43 7.1. Тектонические движения земной коры 44 194 7.2. Явления, вызванные гравитационными процессами 46 8. ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ КЛИМАТИЧЕСКОГО И ВОДНОГО ХАРАКТЕРА И ВЫЗВАННЫЕ ИМИ ЯВЛЕНИЯ 51 8.1. Явления, вызванные экзогенными процессами климатического характера 51 8.2. Явления, вызванные экзогенными процессами водного характера 54 9. ГРУНТ КАК МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ СИСТЕМА. . . . 57 9.1. Структура грунтов 58 9.2. Значение пористости грунтов 59 10. ДИСПЕРСНЫЕ ГРУНТЫ 61 10.1. Гомогенные и гетерогенные системы 61 10.2. Коллоиды и коллоидные системы (мицеллы) 62 10.3. Поглотительная способность грунтов 63 11. ВОДА В ГРУНТАХ 66 11.1. Происхождение подземных вод 66 11.2. Положение уровня стояния грунтовых вод 68 12. ФОРМЫ СВЯЗЕЙ ВОДЫ В ГРУНТАХ 70 12.1. Влагоемкость и водопроницаемость 71 12.2. Водопоглощение и водонасыщение 73 13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ 74 13.1. Физические свойства грунтов 74 13.2. Понятие о зерновом и микроагрегатном составе грунтов 75 14. ПОКАЗАТЕЛИ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ ГРУНТОВ 78 14.1. Плотность грунтов 78 14.2. Пористость грунтов 79 14.3. Влажность грунтов 82 14.4. Методы определения 84 15. КОНСИСТЕНЦИЯ ГРУНТОВ 85 15.1. Характерней влажность и пластичность грунтов 85 15.2. Связанность, липкость и усадка грунтов 86 15.3. Набухание грунтов и вызванные им явления 87 16. ТИПЫ ГРУНТОВ, РАСПРОСТРАНЕННЫХ НА ТЕРРИТОРИИ БЕЛАРУСИ 90 16.1. Подразделение грунтов по происхождению 90 195 16.2. Грунты Беларуси 92 16.3. Дорожно-климатическое районирование Беларуси 95 17. ПОЧВЫ БЕЛАРУСИ 97 17.1. Почвообразовательный процесс 97 17.2. Почвенные зоны и их характеристика 98 17.3. Типы почв Беларуси 99 18. ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ГРУНТОВ 101 18.1. Влияние температуры на тепловой режим грунтов 101 18.2. Водный режим грунтов 104 19 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ 106 19.1. Закономерности сжимаемости грунтов 107 19.2. Методы определения сжимаемости грунтов 112 20. ПРИНЦИП ЛИНЕЙНОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ 112 20.1. Деформационные свойства грунтов 112 20.2. Показатели деформационных свойств грунта 114 21. УСЛОВИЯ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ 117 21.1. Теория прочности Мора 120 21.2. Условия прочности для сыпучих и связных грунтов 124 21.3. Сопротивляемость связных грунтов сдвигу 126 22. ЗАКОН ЛАМИНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ 131 23. НАПРЯЖЕНИЯ В ГРУНТАХ 135 23.1. Понятие о величине напряжения 135 23.2. Определение напряжений в однородных грунтах 137 23.3. Расчет напряжений для плоской и пространственной задачи 141 23.4. Кривые распределения напряжений 146 23.5. Распределение напряжений в неоднородных грунтах.... 146 24. ТЕОРИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО РАВНОВЕСИЯ ГРУНТА. . . . 148 24.1. Деформация грунта при возрастании нагрузки 148 24.2. Понятие о безопасной нагрузке 150 24.3. Повышение степени прочности грунта 152 25. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ 155 25.1. Теоретические предпосылки 155 25.2. Уплотнение однородного грунта 156 25.3. Уплотнение массива, включающего несколько пластов 159 25.4. Уплотнение грунтов при воздействии вибрационных и ударных нагрузок 160 196 25.5. Стандартное уплотнение грунта 161 26. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ 163 26.1. Понятие о реологии 163 26.2. Деформация ползучести глинистых грунтов 165 27. ДЕФОРМАЦИЯ ГРУНТА ПОД КОЛЕСОМ АВТОМОБИЛЯ И ОТВАЛОМ БУЛЬДОЗЕРА 167 27.1. Сопротивление грунта деформированию под катящимся колесом 168 27.2. Сопротивление грунтов резанию 170 28. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕЛИОРАЦИИ 173 28.1. Понятие о методах технической мелиорации 173 28.2. Классификация методов технической мелиорации 174 29. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ 178 29.1. Требования к укрепленным грунтам 178 29.2. Вяжущие материалы для укрепления грунтов 179 29.3. Классификация грунтов по степени пригодности для укрепления вяжущими материалами 180 30. УКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ МИНЕРАЛЬНЫМИ И ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЯЖУЩИМИ 182 30.1. Укрепление грунтов минеральными вяжущими 182 30.2. Укрепление грунтов органическими вяжущими 184 30.3. Комплексные методы укрепления 185 31. СЫРЬЕ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОБОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ 187 31.1. Сырье для строительных материалов 187 31.2. Перспективные разработки 190 31.3. Отходы и побочные продукты для укрепления грунтов 190 Л и т е р а т у р а 192 Учебное издание БАБАСКИН Юрий Георгиевич Д О Р О Ж Н О Е Г Р У Н Т О В Е Д Е Н И Е И М Е Х А Н И К А З Е М Л Я Н О Г О П О Л О Т Н А Д О Р О Г KVDC лекций Редактор 1.А.11алилова. КоррекТсЬр М.П.Антонова Компьютерная верстка Н.А.Школьниковой Подписано в печать 13.06.2002. Формат 60x84 1/16. Бумага типографская № 2. Печать офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 11,5. Уч.-изд. л. 9,0. Тираж 300. Заказ 62. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Лицензия ЛВ №155 ог 30.01.98.220027, Минск, проспект Ф.Скорины, 65.