Грунт

Техногенные грунты

Грунт — любая горная порода, почва, осадок и техногенные минеральные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды, изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью.

Грунты используют в качестве оснований зданий и сооружений, материалов для строительства дорог, насыпей и плотин, среды для размещения подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и другого. Грунты изучаются в инженерной геологии.

Классификация

Классы грунтов

По природе структурных связей между частицами они разделены на три класса:

• скальные — с жёсткими кристаллизационными и цементационными связями;
• дисперсные — с физическими, физико- химическими и механическими связями. Для дисперсных грунтов выделяются подклассы связанных и несвязанных грунтов.
• мерзлые — c дополнительными криогенными связями.

Типы грунтов

По генезису (происхождению) выделяются следующие типы грунтов:

• скальные: магматические интрузивные, магматические эффузивные, метаморфические, осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные, техногенные;
• дисперсные: осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные, техногенные;
• мёрзлые:

Скальные грунты

К классу скальных грунтов относят грунты, у которых преобладают химические структурные связи, образующие два основных типа структур, выделенных в два подкласса — кристаллизационные и цементационные.

Дисперсные грунты

Состоят из минеральных частиц разного размера, слабосвязанных друг с другом. Дисперсные грунты образуются при выветривании скальных грунтов с последующим переносом продуктов выветривания водным или эоловым путём и переотложением.

Мёрзлые грунты

См. также: Многолетняя мерзлота

Имеют отрицательную или нулевую температуру в течение многих лет, содержат включения льда и(или) цементирующий лёд, содержат дополнительные криогенные структурные связи.

Классы грунтов в военно-инженерном деле

В армии, в инженерном деле также есть своя классификация грунтов, которая в основном упрощённо отражает сложность обустройства в этих грунтах полевых инженерных сооружений: окопов, землянок и так далее.

Грунт по плотности и твёрдости делится на слабый, средний и твёрдый.

К слабым относятся грунты, легко отрываемые малой лопатой (песок, рыхлая земля); к средним - растительная земля, к твёрдым - глина, каменистые породы и другие грунты, разработка которых производится с помощью кирко-мотыг, клиньев и взрывов.

Свойства грунтов

Физические свойства

Плотность грунта ρ, г/см³ — это отношение общей массы образца грунта при естественной влажности и строении, к занимаемому образцом объёму. Плотность грунта зависит от минералогического состава, влажности и пористости.

$\rho ={\frac {m}{V}}$

где:

ρ — плотность грунта, г/см^3;

m — масса грунта с естественной влажностью и сложением, г;

V — объём, занимаемый грунтом, см³.

Плотность скелета грунта ρ_d — плотность сухого грунта, г/см³, определяемая по формуле

$\rho _{d}={\frac {\rho }{1+W}}$

где

• ρ — плотность грунта, г/см³;
• W — влажность грунта, д. ед.

Коэффициент пористости е определяется по формуле:

$e={\frac {\rho _{s}-\rho _{d}}{\rho _{d}}}$

где

• ρ_s — плотность частиц грунта, г/см³;
• ρ_d — плотность сухого грунта, г/см³.

Предел прочности грунта на одноосное сжатие R_c, МПа — отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади первоначального поперечного сечения.

Водно-физические свойства

Влажность грунта, W % — массовое(весовое) W или объёмное W_n относительное содержание воды в порах грунта. Объёмная влажность W_n изменяется от 0 до 100 %.

$\rho ={\frac {m}{V}}$

Коэффициент водонасыщения S_r, д. ед. — степень заполнения объёма пор водой. Определяется по формуле:

$S_{r}={\frac {W\rho _{s}}{e\rho _{w}}}$

где

• W — природная влажность грунта, д. ед.;
• е — коэффициент пористости;
• ρs — плотность частиц грунта, г/см³;
• ρw — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Число пластичности Ip — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания Wp.

$I_{p}=W_{L}-W_{p}$

WL и Wp определяют по ГОСТ 5180-84.

Количественные характеристики гранулометрического состава

Степень неоднородности гранулометрического состава C_u — показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле

$C_{u}={\frac {d_{60}}{d_{10}}}$, (А.3)

где d₆₀, d₁₀ — диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.

Кэффициент выветрелости К_wr, д. ед. — отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта.

Коэффициент выветрелости крупнообломочных грунтов К_wr, д. ед., определяется по формуле

$K_{wr}={\frac {K_{1}-K_{0}}{K_{1}}}$

где К₁ — отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане;
К₀ — то же, в природном состоянии.

Коэффициент истираемости крупнообломочных грунтов К_fr, д. ед., определяется по формуле:

$K_{fr}={\frac {q_{1}}{q_{0}}}$

где q₁ — масса частиц размером менее 2 мм после испытания крупнообломочных фракций грунта (частицы размером более 2 мм) на истирание в полочном барабане;
q₀ — начальная масса пробы крупнообломочных фракций (до испытания на истирание).

Коэффициент размягчаемости в воде К_sof, д. ед. — отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Коэффициент сжимаемости мёрзлого грунта δ_f — относительная деформация мёрзлого грунта под нагрузкой.

Льдистость грунта за счёт видимых ледяных включений i_i, д. ед. — отношение содержащегося в нём объёма видимых ледяных включений к объёму мёрзлого грунта. Определяется по формуле:

$i_{i}={\frac {\rho _{s}(W_{tot}-W_{m})}{\rho _{i}+\rho _{s}(W_{tot}-W_{w})}}$

• ρ_s — плотность мёрзлого грунта, г/см³;
• ρ_i — плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;
• W_tot — суммарная влажность мёрзлого грунта, д. ед.;
• W_m — влажность мёрзлого грунта, расположенного между ледяными включениями, д. ед.
• W_w — влажность мёрзлого грунта за счёт содержащейся в нём при данной отрицательной температуре незамёрзшей воды, д. ед.

Относительная деформация набухания без нагрузки ε_sw, д. ед. — отношение увеличения высоты образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 24143-80.

Относительная деформация просадочности ε_s, д. ед. — отношение разности высот образцов, соответственно, природной влажности и после его полного водонасыщения при определённом давлении к высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 23161-78.

Относительное содержание органического вещества I_r, д. ед. — отношение массы сухих растительных остатков к массе абсолютно сухого грунта.

Показатель текучести I_L — отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания W_p, к числу пластичности I_p.

Степень водопроницаемости — характеристика, отражающая способность грунтов пропускать через себя воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтрации К_ф, м/сут. Определяется по ГОСТ 25584-90.

Степень заполнения объёма пор мёрзлого грунта льдом и незамёрзшей водой S_r, д. ед., определяется по формуле:

$S_{r}={\frac {(1,1W_{ic}+W_{w})\rho _{s}}{e_{f}\rho _{w}}}$

где W_ic — влажность мёрзлого грунта за счёт порового льда, цементирующего минеральные частицы (лёд-цемент), д. ед.;
W_w — влажность мёрзлого грунта за счёт содержащейся в нём при данной отрицательной температуре незамёрзшей воды, д. ед.;
ρ_s — плотность частиц грунта, г/см3;
е_f — коэффициент пористости мёрзлого грунта;
ρ_w — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Степень засолённости — характеристика, определяющая количество водорастворимых солей в грунте D_sal, %.

Степень зольности торфа D_ds, д. ед. — характеристика, выражающаяся отношением массы минеральной части грунта ко всей его массе в абсолютно сухом состоянии. Определяется по ГОСТ 11306-83^*.

Степень морозной пучинистости — характеристика, отражающая способность грунта к морозному пучению, выражается относительной деформацией морозного пучения ε_fh, д. ед. (доли единицы), которая определяется по формуле:

$\varepsilon _{fh}={\frac {h_{o,f}-h_{o}}{h_{o}}}$

где

h_{o, f} — высота образца мёрзлого грунта, см;

h_o — начальная высота образца талого грунта до замерзания, см.

Степень плотности песков I_D определяется по формуле

$I_{D}={\frac {e_{max}-e}{e_{max}-e_{min}}}$, (A.6)

где е — коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении;
e_max — коэффициент пористости песка в самом рыхлом сложении.
e_min — коэффициент пористости песка в самом плотном сложении.

Степень разложения торфа D_dp, д. ед. — характеристика, выражающаяся отношением массы бесструктурной (полностью разложившейся) части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы негумицированных остатков растений, к общей массе торфа. Определяется по ГОСТ 10650-72.

Степень растворимости в воде — характеристика, отражающая способность грунтов растворяться в воде и выражающаяся в количестве воднорастворимых солей, q_sr, г/л.

Структура грунта — пространственная организация компонентов грунта, характеризующаяся совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количественное соотношение), геометрических (пространственная композиция структурных элементов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия структуры) и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействием компонентов грунта.

Суммарная льдистость мёрзлого грунта i_tot, д. ед. — отношение содержащегося в нём объёма льда к объёму мёрзлого грунта. Определяется по формуле:

$i_{tot}=i_{i}+i_{c}={\frac {\rho \cdot i}{\rho _{i}}}={\frac {\rho _{f}(W_{tot}-W_{w})}{\rho _{i}(1+W_{tot})}}$, (A.10)

Состав грунта вещественный — категория, характеризующая химико-минеральный состав твёрдых, жидких и газовых компонентов.

Текстура грунта — пространственное расположение слагающих грунт элементов (слоистость, трещиноватость и др.).

Гранулометрический состав — количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536-79.

Ссылки

• ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация»  (неопр.). Дата обращения: 19 декабря 2009. Архивировано 23 февраля 2012 года.
• ГОСТ 24847-81 «Грунты. Методы определения глубины сезонного промерзания»  (неопр.) (doc). Дата обращения: 10 февраля 2010. Архивировано 23 февраля 2012 года.
• Классификатор грунтов в портале «Классификаторы Санкт-Петербурга»