Механіка грунтів

Механіка грунтів

Тема 1. Природа грунтів і їх класифікація

1.1. Походження грунтів.

1.2. Складові елементи грунтів.

1.3. Будова грунтів і їх структурні зв’язки.

1.4. Фізичні характеристики грунтів.

1.5. Класифікаційні характеристики грунтів.

1.6. Класифікація грунтів.

1.1. Походження грунтів

Верхні шари земної кори представлені грунтами, що виникли у результаті протікання різноманітних процесів вивітрювання, які змінювали склад і властивості гірських порід.

Гірські породи - це природні агрегати мінералів. За походженням (генезисом) гірські породи поділяться на магматичні, осадові та метаморфічні.

Магматичні породи утворилися внаслідок твердіння магми. Вони мають кристалічну структуру і класифікуються як скельні грунти. Осадові породи виникли в результаті відкладання і накопичування на поверхні суші або в різних водоймах продуктів фізичного і хімічного руйнування (вивітрювання) раніше існуючих порід (магматичних, осадових, метаморфічних) та продуктів життєдіяльності рослин і тварин. Вони можуть буди скельними і нескельними. Метаморфічні породи утворилися з осадових або магматичних порід під впливом високих температур і тисків, і класифікуються як скельні.

За віком гірські породи (грунти) відносяться до різних геологічних систем. Наймолодшими осадовими грунтами є відкладами четвертинної системи (Q). Більш давніми є грунти систем: неогену (N), палеогену (Pg ), крейдяної (K), юрської (I), триасової (Т), пермської (Р), кам’яновугільної (С).

В інженерній практиці найбільш частіше використовують осадові грунти четвертинного віку. За генетичним типом ці грунти підрозділяють: алювіальні (річкові відклади), а; озерні, l; озерно-алювіальні, la; делювіальні (відклади дощових і талих вод на схилах і у підніжжі підвищень), d; алювіально-делювіальні, ad; еолові (осад з повітря), ed; гляціальні (льодовикові відклади), q та інші.

1.2. Складові елементи грунтів

Рис. 1.1

Грунт являє собою пористу систему, яка складається з мінеральних часток, води і газу (повітря), тобто грунт представляє трьохфазну систему:

- тверда - мінеральні частки;

- рідка - вода;

- газоподібна - повітря, різні гази.

Мінеральні частки можуть бути різні за розміром, формою і хімічним складом. При цьому розміри і форма мінеральних часток дуже сильно впливають на властивості дисперсних (нескельних) грунтів.

Вода в грунті може бути:

a) зв’язна (міцнозв’язна, слабозв’язна);

б) вільна (1-капілярна, 2- гравітаційна).

Повітря (газ) в грунті може бути як у замкненому стані так і сполучене з атмосферою.

1 - мінеральна частка

2 - повітря (газ).

1.3. Будова грунтів і їх структурні зв’язки

Якщо склад грунту визначається його твердими частинками, рідиною й газовою складовою, то будову прийнято характеризувати структурою й текстурою.Розрізняють також поняття макро-, мезо- і мікроструктур та текстур.

Структура грунту – просторова організація компонентів грунту, що характеризується сукупністю морфологічних (розмір, форма часток, їх кількісне співвідношення), геометричних (просторова композиція структурних елементів) та енергетичних (тип структурних зв’язків та загальна енергія структури) ознак і визначається складом та кількісним співвідношенням.

Текстура грунту - просторове розташування елементів, що складають грунт (шаруватість, тріщинуватість та інше).

Макроструктурні особливості складу грунтів добре розрізняються навіть неозброєним оком. Розміри макроелементів грунту коливаються від долей сантиметра й вище. Так, для лесових грунтів України характерні макропориста, стовпчаста й плитчаста структури. Особливості макроструктури визначають міцність, стисливість, водопроникність та інші властивості грунтів.

Макротекстура визначає особливості розміщення макроелементів. Для лесових порід характерна безладна макротекстура, що створює враження суцільного однорідного тіла. Деякі грунти мають складну макротекстуру з розміщенням окремих шарів просторовою фіксацією

Мезоструктуру і мезотекстуру визначають параметри елементів розміром до 0.0001 мм.

Мікроструктура і мікротекстура характеризуються параметрами мікроелементів, менших за 0.0001мм.,

вивчення яких можливе тільки з застосуванням електронних мікроскопів.

Структурні зв`язки – важлива характеристика грунтів, яка визначає їх інженерно-геологічні властивості. Відомо, що міцність дисперсних грунтів не відповідає міцності самих частинок. Вона значно менша й визначається міцністю структурних зв’язків. Структурні зв’язки формуються внаслідок складних фізико-хімічних процесів, які відбуваються при геологічному формуванні породи. Такі явища, як вивітрювання, ущільнення, розчинення, фільтрація та інфільтрація розчинів можуть докорінно змінити й утворити нові структурні зв’язки в грунті.

Розрізняютьгрунтизжорсткимиструктурнимизв’язками(кристалізаційнимитацементаційними),

водно-колоїдними і механічними зв’язками.

Кристалізаційні та цементаційні зв’язки – жорсткі кристалічні, характерні для скельних порід, хоча в початковому стані вони є і в дисперсних грунтах. Ці зв’язки носять безповоротний характер, після руйнування не відновлюються.

Водноколоїдні і механічні зв’язки - виникають при зближенні мікрочастинок завдяки молекулярним (ван-дер-Ваальсовим) силам. Проявляються вони на відстані й за силою поступаються хімічним зв’язкам. Ці зв’язки називають оборотними і характерні для дисперсних (нескельних) грунтів.

1.4. Фізичні характеристики грунтів

m1 - маса мінеральних часток;

m2 - маса води (масою повітря нехтуємо); V1 - об’єм мінеральних часток;

V2 - об’єм води і повітря.

a) основні фізичні характеристики грунту (це ті, які визначають лабораторним шляхом):

1. щільність грунту – відношення маси грунту, включаючи масу води до його об’єму:

 (г/см3);(1.1)

2. щільність мінеральних часток – відношення маси мінеральних часток до об’єму, який вони займають:

 (г/см3);(1.2)

3. вологість – відношення маси води до маси грунту в сухому стані (до маси мінеральних часток):