Инженерная геология. Грунтоведение

1. Инженерная геология

Инженерная геология (ИГ) – наука о формировании и
изменении инженерно-геологических условий (ИГУ)
территорий, о геологических условиях строительства и
эксплуатации сооружений, о рациональном использовании
геологической среды (ГС) для создания безопасных и
комфортных условий жизнедеятельности человека.
1

2. Грунтоведение

• Содержание термина «грунт»
Инженерно-геологические классификации грунтов – основа изучения свойств
грунтов
Характеристика составляющих компонент грунта
Минеральная компонента
Жидкая компонента
Газообразная компонента
Биотическая компонента
Взаимодействие основных компонент грунтов
Физические, водные и механические свойства грунтов, их показатели
Литература
1. Ананьев В.И., Потапов А.Д. Инженерная геология М., Высшая школа 2000, 511с.
2.Грунтоведение. Под ред.Трофимова В.Т. Изд-во Наука. 2005г
3.Инженерная геология России. Том.1. грунты России. Под ред.В.Т.Трофимова,
Е.А.Вознесенского, В.А.Королёва. - М.: КДУ,2011.
4. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. - Л.: Недра. 1984.511с.
5.Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных
исследований.- Л.: Недра. 1990, - 327с.
6. ГОСТ 25100-2011 Грунты
2

3.

•Содержание термина «грунт»
Под грунтами понимаются любые горные породы, почвы, осадки и антропогенные
геологические образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные
системы, исследуемые в связи с планируемой, осуществляемой или
осуществленной инженерной деятельностью человека.
Грунты – объект изучения «грунтоведения»
Раздел
инженерной геологии
Механикой грунтов
Неразрывно связана с
Технической мелиорацией
грунтов
Геотехникой
Знания о грунтах
(их состав, строение,
состояние, свойства) –
предмет
«грунтоведения»
3

4.

ГРУНТЫ
Строительный
материал.
Основания
сооружений
Среда
сооружений
При использовании грунтов в качестве основания и среды сооружений, как строительных материалов,
необходимо
определение их физико-механических свойств,
для этого проводят полевые и
лабораторные исследования.
4

5. Инженерно-геологические классификации грунтов – основа изучения свойств грунтов

«Классификация –система соподчинённых понятий
(классов, объектов) области знания или деятельности
человека, используемая как средство для установления
связей между этими понятиями или классами
объектов»
•Инженерно-геологические
классификации грунтов – основа
изучения свойств грунтов
Классификации грунтов в инженерной геологии
Общие
Специальные
Частные
Региональные
5

6.

Общие классификации
Рассматривают полное глобальное многообразие грунтов
и систематизируют их в определённую иерархическую
систему по выбранным классификационным критериям
(используются генетические и морфологические показатели)
классификация Ф.П. Саваренского –
В.Д. Ломтадзе;
классификация Е.М. Сергеева;
стандартная классификация
ГОСТ 25100-2011.
Предназначены
для
различных
отраслей
строительства
6

7.

Специальные классификации
(отраслевые)
Обычно основываются на учёте
одного какого-либо признака грунтов
классификация по устойчивости
грунтов в откосах;
классификация по несущим
способностям грунтов;
классификация по способу и
трудности разработки грунтов;
классификация по крепости
грунтов;
и другие.
Разработаны применительно
к задачам, требованиям
определенной отрасли
строительного дела
7

8.

Частные классификации
Подразделяют множество грунтов
по одному или нескольким конкретным признакам
(показателям состава, микроструктуры, свойств и др.)
др
классификации грунтов по
гранулометрическому составу;
классификация глинистых грунтов
по показателю консистенции;
классификации грунтов по величине
деформации набухания или
давления набухания;
и другие.
Применяются в практике
исследования состава,
состояния,
свойств грунтов
для различных целей
8

9. Региональные классификации

Систематизируют знания о грунтах,
развитых на определенных территориях
• региональные общие
классификации
• региональные частные
классификации
Используются
при изучении
инженерно-геологических условий
различных регионов
9

10. Характеристика составляющих компонент грунта

Минеральная компонента
Жидкая компонента
Газообразная компонента
Активно взаимодействуют между собой, обусловливая
определенные строительные качества грунтов.
Биотическая компонента
Vгр – объём грунта
Vт – объём твердой (минеральной
части) грунта
Vп – объём пустот (заполненных
водой и воздухом или газами)
Vв –объём воды
Vг – объём газа (воздуха)
Vгр = Vп + Vт
Vп = Vв + Vг
mгр – масса грунта
mт – масса твердой
(минеральной части) грунта
mв – масса воды
mгр = mт + mв
10

11. Минеральная (твёрдая) компонента грунта

•Минеральная (твёрдая) компонента грунта
Является основной частью грунта, составляющей его скелетную основу и представлена обломками и
частицами, различной крупности, объединяемых в группы или фракции
Фракции
Размер
фракций
, мм
Фракции
Валуны и глыбы
>200
Гравий и
дресва
Галька и
щебень
Размер
фракций,
мм
Фракции
Размер
фракций,
мм
Песчаные
частицы
Фракции
Размер
фракций,
мм
Пылеватые
частицы
крупные
20-10
грубые
2-1
крупные
0,05-0,01
0,010,002
Очень крупные
200-100
средние
10-4
крупные
1-0,5
мелкие
крупные
100-60
мелкие
4-2
средние
0,5-0,25
Глинистые
частицы
средние
60-40
мелкие
0,25-0,10
грубые
0,0020,001
мелкие
40-20
тонкие
0,10-0,05
тонкие
<0.001
Количественное соотношение фракций различных размеров в грунтах отражает их гранулометрический состав
Классификации грунтов по
гранулометрическому составу
Частные
разработаны для какого-либо одного типа грунтов
Общие
охватывают большую часть петрографических типов грунтов
• Н.А. Качинского - для почв и глинистых грунтов,
• С.С. Морозова - для лёссовых грунтов,
• В.Д. Ломтадзе
- для песчаных грунтов,
• Е.М. Сергеева - для песчаных грунтов,
• классификация ГОСТ 25100-2011,
• и др.
Классификация
В.В.Охотина
В зарубежных странах
- иные общие классификации
11

12. Общий вид гранулометрической кумулятивной кривой

12

13. Минеральный состав

В значительной степени влияет на физико-механические свойства
грунтов, особенно глинистых, в составе которых присутствуют своеобразные
минералы – «глинистые»
Наибольшее распространение имеют минералы
групп каолинита, гидрослюд, монтмориллонита,
строение кристаллической решётки которых
различно
Обусловливает различие
физико-механических
свойств грунтов
Глины
Монтмориллонитовая
Интервал
нагрузок
МПа
Коэффициент пористости
Начальный
Конечный
Относительная
сжимаемость
%
100-300
0,761
0,661
5,6
Гидрослюдистая
0-300
0,793
0,199
33,0
Каолинитовая
3-200
0,778
0,82
33,6
13

14. Степень дисперсности грунтов

Размер частиц определяет свойства грунтов, особенно, глинистых..
В инженерной геологии обломочные и глинистые грунты рассматриваются как дисперсные и многофазные
системы. В зависимости от степени дисперсности твердой фазы они подразделяются на грубые и тонкие
дисперсии, коллоиды, молекулярные системы.
Важнейшей особенностью дисперсных грунтов, определяющей практически все происходящие поверхностные явления,
является наличие двойного электрического слоя (ДЭС) ионов и скачка потенциала на границе раздела фаз «минерал — вода».
14

15. Твёрдая компонента определяет физико-механические свойства грунтов, и, прежде всего – механические: прочность, деформируемость

Прочность грунта зависит:
- от прочности составляющих твёрдых компонентов
(кристаллов минералов, зёрен и обломков грунтов, минеральных частиц и др.),
- от характера связи между ними.
Прочность самих твёрдых компонентов
определяется
прочностью и характером связей внутри них.
В инженерно-геологических целях подразделение твёрдой компоненты
- по преобладающему
ковалентный
ионный
т и п у
водородный
связей
внутри компоненты
металлический
молекулярный
Играют основную роль в формировании структурных связей в грунтах
15

16. Структурные связи в грунтах

Структурные связи – взаимное притяжение между структурными элементами грунта
(частицами, микроагрегатами, агрегатами, зернами), имеющее химическую, физическую, физикомеханическую или механическую природу .
Удерживают элементы в определенных пространственных соотношениях, обеспечивая
сохранность каркаса грунтов, определяя их
инженерно-геологические свойства.
Природа структурных связей
Образуются на разных стадиях формирования грунта
в результате сложных физико-химических процессов и
являются проявлением
суммарного эффекта
Сил притяжения
обусловлены
-ионно-электростатическим отталкиванием
-химической связью,
-электростатическим
-молекулярным
-магнитным
Сил отталкивания
взаимодействием,
-силами механического зацепления.
одноименно заряженных двойных электрических
слоев дисперсных частиц,
-отталкиванием за счет тонких гидратных
слоев адсорбированных на поверхности частиц
молекул воды,
-борновским отталкиванием атомов
твердых поверхностей на малых расстояниях.
16

17. Жидкая компонента грунта

•Жидкая компонента
грунта
Классификация жидкой компоненты грунтов
Категория (тип) воды
Связанная
Переходного типа (от связанной к свободной)
Свободная
Виды и разновидности воды
1.Вода кристаллической решётки
минералов (конституционная,
кристаллизационно-связанная).
2.Адсорбционная вода
(островной, мономолекулярной и
полимолекулярной адсорбции).
1.Осмотически поглощённая вода.
2.Капиллярная вода (капиллярной
конденсации и капиллярного
впитывания).
1.Замкнутая в крупных порах
(иммобилизованная).
2.Текучая.
17

18. Газовая компонента грунта

•Газовая компонента
грунта
Оказывает влияние на свойства грунтов. Активно вступает во взаимодействие с
другими компонентами грунта, участвуя в различных физико-химических процессах
(окисление, восстановление, растворение, биологические процессы). Большие
скопления газов могут создавать поровое давление в грунтах и тем самым снижать
их прочность; в ряде случаев прорыв газов в подземные выработки и основания
насыпей являются причиной значительных деформаций грунта.
Содержится
В порах грунта
1.В свободном состоянии
2.В адсорбированном состоянии
3.В защемлённом состоянии
В воде, заполняющей поры
1.В виде мелких пузырьков
2.В растворённом состоянии
18

19. Биотическая компонента

•Биотическая компонента
Различные живые организмы, для которых грунты – среда обитания
Микроорганизмы
Макроорганизмы
Влияние на состав, строение, состояние и свойства грунтов, а
также строительных материалов
Аварийное
состояние зданий
и сооружений
19

20. Взаимодействие основных компонент грунтов

•Взаимодействие основных
компонент грунтов
Твердая компонента
Жидкая компонента
Газовая компонента
Биотическая компонента
Соотношение и их взаимодействие влияют на формирование состава,
состояния и физико-механических свойств грунта.
облик
состояние
свойства
20

21. Физико-механические свойства песчаных и глинистых грунтов и их показатели

•Физико-механические свойства
песчаных и глинистых грунтов и
их показатели
Физические
Водные
Механические
21

22. Физические свойства

плотность
Основные
пористость
влажность
Дополнительные
Взаимосвязаны, и в целом выражают
физическое состояние грунтов как
в условиях естественного залегания,
так и в земляных сооружениях.
Для глинистых - консистенция
Для песчаных – относительная плотность
22

23. Характеристики физических свойств грунтов

Плотность грунта
ρ = mгр /Vгр
Плотность твердой
(минеральной ) части
Плотность скелета
грунта
Удельный вес грунта
ρs = mт /Vт
ρd = mт/Vгр = ρ/ (1 + 0,01W)
γ = ρg
Удельный вес твердой
(минеральной ) части
γs = ρsg
Удельный вес скелета
грунта
γd = ρdg
Удельный вес грунта с учётом взвешивающего воздействия воды
Влажность весовая
Влажность объемная
Полная влагоемкость (влагоемких грунтов) или полная водоемкость (невлагоемких)
Коэффициент водонасыщения
Пористость
Коэффициент пористости
Коэффициент пористости грунта, насыщенного водой
Объем пор в 1 см грунта
Объем минеральной части в 1 см3 грунта
γsb= (γs - γw)(1-n) = (γs - γw)(1+e)
W = (ρ - ρd )/ρd
W0 = Wρd
Wn = n/ ρs(1-n)
Sr = W/Wn = Wρs/ еρw
n = 1-m = 1 - ρd/ρ
e = n/ (1-n ) = (ρ - ρd)/ρd
e = Wρ
n = e/(1+e) = 1-m
m = 1/(1+e) = 1-n
Предел пластичности глинистого грунта
Wp
Предел текучести глинистого грунта
Wт
Число пластичности
Показатель консистенции
Iр = Wт - Wр
IL = (W-Wp)/Iр
Коэффициент относительной плотности песка
Id = (emax – e0)/(emax - emin)
Коэффициент уплотненности песчаного грунта
U = (emax - emin)/emin
23

24. Плотность

определяется соотношением между объёмами твёрдых частиц, водой
и воздухом (газом)
Плотность частиц грунта
ρs= mт/Vт/см 3
Служит для косвенного
суждения о составе
основных породообразующих
минералов, а также для
расчёта пористости грунтов
Плотность грунта
ρ=mгр/Vгр= (mт+mп )/(Vт+Vп ) г/см
Зависит от объёма пор и степени заполнения
их водой.
Не даёт представления о состоянии грунта, т.к.
при одной и той же пористости, но разной степени
их заполнения водой, получаются разные
значения плотности
Определяется
расчётом
Определяются
опытным путём
3
Плотность скелета грунта
ρd=mт/ Vгр=
3
mт/ (Vт+Vп )г/см
Используется для оценки истинной
плотности насыпных сооружений
с целью определения их
однородности по прочности,
сжимаемости, водопроницаемости
Плотность наиболее типичных песчаных и глинистых грунтов
в естественных условиях залегания
грунты
состояние
Плотность
грунта
Плотность
скелета
Пески гравелистые, крупно- и
среднезернистые
Плотное сложение
Средней плотности
Рыхлое сложение
>1.85
1.65-1.85
<1,65
>1.70
1.55-1.70
<1.55
Пески мелкозернистые, тонкозернистые,
супесь легкая
Плотное сложение
Средней плотности
Рыхлое сложение
>1.75
1.60-1.75
<1.60
>1.65
1.50-1.65
<1.50
Глины, суглинки, супеси тяжёлые
Уплотнённые
мягкие
1.70-2.20
1.10-1.70
1.35-1.90
0.80-1.35
24

25. Пористость

выражает физическое состояние песчаных и глинистых грунтов, т.е.
плотность упаковки частиц.
Показатели
Пористость - n
Коэффициент пористости – e
e = Vп / Vт = n/(1-n)
Vт - остаётся постоянным при уплотнении
Характеризует объём пор в
грунте (в единице объёма грунта)
n = Vп / Vгр.
n = 1-m = 1 - ρd/ρ
e используется в расчётах
При полном насыщении пор водой
e = w ρs
Vгр - изменяется при уплотнении
n - переменная величина
Показатели пористости и коэффициента пористости основных разновидностей
песчаных и глинистых грунтов
грунты
показатель
сложение
плотное
средней
плотности
малой
плотности
Пески гравелистые, крупно- и
среднезернистые
n%
e
35
0,55
35-40
0,55-0,70
40
0,70
Пески мелкозернистые,
тонкозернистые, супесь
легкая
n%
e
38
0,60
038-44
0,60-0,80
44
0,80
Глины, суглинки, супеси
тяжёлые
n%
e
30
0,40
30-45
0,40-0,80
45
0,80
25

26. Влажность грунтов

Характеризуется количеством воды, заполняющей поры грунтов. В зависимости от
степени влажности, песчаные и глинистые грунты могут находиться в различном
физическом состоянии в соответствии с которым (особенно у глинистых грунтов)
изменяется их деформируемость, устойчивость, прочность.
Весовая влажность W.
Определяется высушиванием грунтов при постоянной температуре 105 С.
W=mв/mт, доли ед, %.
Влажность грунта при полном заполнении пор водой
соответствует его полной влагоёмкости Wп
Wп = n/ρs(1-n) = 1/ρd-1/ρs.
Wп = e0ρw/ρs.
Коэффициент водонасыщения Sr
(характеризует степень насыщения пор водой, отражает отношение естественной
влажности к их полной влагоёмкости)
Sr = W/Wп =Wρs/eρв
Для маловлажных грунтов Sr = 0….0.5, влажных – 0.5…0,8, насыщенных – 0.8….1,0.
26

27. Консистенция

Консистен
ция
Определяет физическое состояние глинистого грунта и характеризует подвижность
глинистых частиц при определённой влажности под воздействием внешних усилий
Число пластичности Iр —
разность влажностей, соответствующая
двум состояниям грунта: на границах текучести WL и раскатывания Wp.
Iр
=
WL
-
Показатель текучести IL—
отношение разности влажностей, соответствующих двум
состояниям грунта (естественному W и на границе
раскатывания Wp), к числу пластичности Ip.
Wр
IL =(W-Wр)/(WL-Wр)= (W-Wр)/ Iр
Разновидность глинистых грунтов
WL - влажность, при которой грунт переходит
в текучее состояние
Wр - влажность, при которой грунт переходит
от пластичного к полутвердому состоянию
Iр
1-7 - супесь
7-17- суглинок
>17- глина
В соответствии с
ГОСТ
25100-2011
IL
Супесь
твёрдая
<0
пластичная
текучая
>1
Суглинки и глины
твёрдые
<0
полутвёрдые
0-0,25
тугопластичные
0,25-0,50
мягкопластичные
0,50-0,75
текучепластичные
0,75-1,00
текучие
>1.0
27

28. Относительная плотность песков

Используется для оценки песчаных грунтов как оснований, среды
или материала для различных сооружений
Степень плотности (относительная
плотность) песчаных грунтов Id
Id = (emax – e0) / (emax – emin),
emax
- коэффициент пористости песка при
самом рыхлом сложении;
emin – коэффициент пористости песка
при самом плотном сложении;
e0 – коэффициент пористости песка
естественного сложения.
Коэффициент уплотняемости песков
U = (emax – emin) / emax
Чем ближе этот показатель к 1, тем большей
способностью к уплотнению обладает песок,
т.е. больше может уменьшиться его
пористость при внешнем воздействии.
Разновидность
песков
Степень
плотности
слабоуплотнённый
0-0,33
среднеуплотнённый
0,33-0,66
сильноуплотнённый
0,66-1,00
28

29. Водные свойства песчаных и глинистых грунтов

Определяют отношение песчаных и глинистых грунтов к воде и при инженерно-геологической оценке
имеют важное значение.
Основные показатели
водоустойчивость
влагоёмкость
капиллярность
водопроницаемость
29

30. Влагоёмкость

Влагоёмкост
ь
Имеет значение - для песчаных и глинистых грунтов при оценке их степени увлажнения;
-для глинистых – при оценке их гидрофильности;
- для рыхлых несвязных – при решении
вопросов осушения, оценке возможных притоков воды в котлованы, подземные выработки
Способность грунта:
вмещать и удерживать
определённое количество воды в различных условиях
Влагоёмкие - глины и суглинки
Невлагоёмкие (характеризуются
водоёмкостью) - пески, галечники, щебень
Промежуточное положение (супеси,
пески мелкозернистые, тонкозернистые)
Полная
Молекулярная
Капиллярная
характеризует
влажность грунтов
при полном насыщении
пор водой
характеризует способность грунтов
удерживать физически связанную воду
на поверхности минеральных
частиц или в межпакетных пространствах
характеризует
количество воды в порах,
способных поднимать воду
30

31. Водоустойчивость

Водоустойчивост
ь
Наиболее важное значение имеет для глинистых грунтов и зависит от их состава, характера
структурных связей.
Показатели
используются при оценке: устойчивости и деформируемости оснований сооружений, откосов,
подземных сооружений, земляного полотна дорог; грунтов как материала для плотин, насыпей,
дамб и др.
Скорость и характер
размокания
Величина, сила и
влажность набухания
Величина и
влажность усадки
Содержание
водорастворимых
соединений и их состав
Капиллярн
ость мелко- и тонкозернистых песков,
Имеет значение: для характеристики
глинистых грунтов с целью определения их возможного чрезмерного
увлажнения при неглубоком уровне залегания подземных вод или при его
повышении; при оценке воздействия воды на подземные части сооружений.
Высота капиллярного поднятия
Зависит от высоты залегания грунтов над уровнем грунтовой воды. Образуется
«капиллярная кайма», в пределах которой прочность грунтов меняется, что
следует учитывать при оценке их устойчивости, а также может являться
причиной их пучения.
31

32. Водопроницаемость

Водопроницаемос
ть
Коэффициент фильтрации Kф
-
Используется при расчётах:
- притока воды к котлованам, подземным выработкам;
потерь воды на фильтрацию, а также дренажей, водопонижения и др.;
-осадок сооружений на глинистых грунтах во времени.
Основной закон водопроницаемости
песчаных и глинистых пород – закон ламинарной (плоскопараллельной) фильтрации:
V = Q/F или Q = Кф F I
при F = 1 и I = 1
3
Кф = Q м/сут
Скоростное выражение коэффициента фильтрации
Q/F = V = Кф I
при I = 1
V = Кф м/сут
Q – количество фильтрующейся воды, м 3/сут; F– площадь поперечного сечения грунта, м. 2
Учитывая, что агрегаты и частицы занимают часть сечения грунта,
действительная площадь фильтрации воды – Fд<F,
тогда, действительный коэффициент фильтрации – Кф.д. = Кф/n,
где n – пористость грунта в долях единицы.
32

33. Механические свойства грунтов

- характеризуют
Деформационные
Характеризуются
сжимаемостьюспособностью грунтов уменьшаться
в объёме под действием нагрузки.
Закон уплотнения:
Изменение коэффициента пористости
грунта прямо пропорционально
приложенному давлению.
их поведение под нагрузкой
Прочностные
Характеризуются
сопротивлением сдвигу τ –
показатель прочности, обусловленный
трением между частицами и
структурными связями между ними
dе = dσ
(1+e0).
Е
φ-угол внутреннего трения грунта,
С – сцепление грунта.
Реологические
Характерны
главным образом для относительно
твёрдых полускальных и глинистых
грунтов и проявляются при изменении
напряжённого деформируемого состояния
грунтов во времени в виде:
- ползучести (процесс изменения
деформации во времени);
-релаксации напряжений (процесс
уменьшения напряжений во времени при
сохранении постоянной деформации);
-длительной прочности грунта при
длительном действии нагрузки.
Параметры реологических свойств
различны.
33

34.

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВ по разделу Грунтоведение
Глинистые частицы по классификации
гранулометрического состава имеют размер:
Число пластичности Ip > 0,07 характерно для
грунта:
1).20-200 мм
1). легкий суглинок
2).2-20 мм
2). супесь
3).0,05-2 мм
3). тяжелый суглинок
4). 002-0,05 мм
4). глина
5). <0,002 мм
5). тяжелая супесь
В общей инженерно-геологической
классификации (Саваренского-Ломтадзе)
в группу скальных пород входят:
1.пески, гравий, галька
2.глины, суглинки, супеси
3.трещиноватые известняки и мергели
4.торф, ил, каменная соль
5.граниты и гнейсы
Прочность горных пород характеризуется
показателем:
1.коэффициент Пуассона
2.угол внутреннего трения
3.модуль упругости
4.Сцепление
5.коэффициент сжимаемости
34