Характеристики грунтів

1. Класифікація грунтів. Повна класифікація грунтів наводиться за ДСТУ Б В.2.1-2-96 ”Грунти. Класифікація.” Згідно стандарту всі грунти розподіляються на класи, групи, підгрупи, типи, види і різновиди.

Класи – за загальним  характером структурних зв’язків. Це природні скельні, дисперсні, мерзлі, техногенні грунти.

Групи – за характером структурних  зв’язків з урахуванням їх  міцності. Клас скельних грунтів розділяють на скельні та напівскельні, дисперсних – до осадової підгрупи.

Тип – за речовинним складом. Дисперсні розділяються на мінеральні, органо-мінеральні та органічні.

Вид – за найменуванням  грунтів з урахуванням розмірів частинок та показників властивостей. Мінеральні грунти розділяють на великоуламкові, піски і глинисті грунти; органо-мінеральні – на мули, сапропелі та заторфовані  грунти; органічні – на торфи.

Різновиди – за кількісними  показниками речовинного складу, властивостей та структури грунтів. Великоуламкові грунти та піски залежно від гранулометричного складу; глинисті грунти та мули – за числом пластичності і за показником текучості; великоуламкові грунти та піски – за коефіцієнтом водонасичення; піски – за щільністю складу.

2.Щільністю грунту називається  відношення маси грунту, включаючи  масу води в його порах, до  об’єму, що займає цей грунт, г/см³, т/м³ :   , де m – маса грунту; V - об’єм грунту.

Щільність залежить від мінералогічного  складу, пористості і вологості грунту. Чим важчі мінерали і більше вологість, тим більше ρ і навпаки, чим  більше пористість, тим менше ρ. При  повному насиченні пор водою  значення ρ часто перевищує 2,0 т/м³ . Щільність грунтів, що використовуються для будівництва, коливається в межах 1,4…2,2 т/м³ .

Щільність грунту в лабораторних умовах найчастіше визначають методом  ріжучого кільця, тобто заповнюють кільце грунтом і зважують. Якщо не можна вирізати ножем зразок грунту правильної форми (крихкий, багато кам’яних включень), то застосовують метод парафінування. Беруть певний зразок грунту, зважують його, знаходять масу m, потім парафінують його, а об’єм V знаходять за об’ємом витісненої води. Коли грунт мерзлий і вирізати ножем зразок правильної форми не можна, то його об’єм знаходять за об’ємом витісненої нейтральної рідини (гас, лігроїн) без парафінування.

3.Грунти складаються з окремих частинок різної форми, крупності та речовинного складу. Група частинок із приблизно однаковими діаметрами певного діапазону називається фракцією. Найбільш поширена класифікація визначає наступні найменування грунтових частинок залежно від фракцій: - галечні (щебеневі)   100…20 мм; - гравійні   20…2 мм; - піщані   2,0…0,05 мм; - пилуваті   0,05…0,005 мм; - глинисті   <0,005 мм. Процентний вміст фракцій грунту за масою називається гранулометричним (механічним) складом грунту. Це один з найважливіших факторів, що визначають фізико-механічні властивості грунту. Від нього значною мірою залежить стисливість грунтів та їх опір зсуву (деформативні та міцнісні показники), пористість і водопроникність, пластичність, усадка і набрякання (для зв’язних грунтів).

Гранулометричний склад  визначається за допомогою гранулометричного (механічного) аналізу, що полягає в розділянні грунту на окремі фракції. Існує багато способів такого аналізу: ситовий (просіювання грунту через набір сит), польовий метод Рутковського, способи подвійного відмучування, піпетковий, ареометричний. Отримані дані гранулометричного складу представляють у вигляді таблиці або різноманітних графіків.

4.Молекулярні сили, що  безпосередньо взаємодіють між  твердими частинками (сили Ван-дер-Ваальса)  можуть виникати при дуже тісних  контактах між твердими частинками  і відстанях між ними порядку  декількох рядів молекул (але  не більше десятків). Такі відстані  можуть мати місце в грунтах,  що складаються з твердих частинок  і піддаються зовнішньому тиску  значної величини, який трансформується в точках контакту в значні за величиною сили, або ж у грунтах  вологих, але дуже щільних, у яких під впливом зовнішнього тиску плівки зв’язаної води та колоїдні оболонки частинок продавлені. Сили Ван-дер-Ваальса величезні, але сумарна їх дія залежить від числа безпосередніх точок контакту, яких у грунтах взагалі мало.

За фізико-хімічною класифікацією  дисперсних тіл акад. П.А.Ребіндера  структурні зв’язки водонасичених грунтів можуть бути віднесені до коагуляційних (зазвичай первинних, що виникають при випаданні частинок у воді та згортанні колоїдів за наявності електролітів), до конденсаційних (що виникають при ущільненні коагуляційних структур до прямого доторкання одна з одною мінеральних частинок і шляхом утворення студнів при полімеризації гелів) і, нарешті, до кристалізаційних (що утворюються шляхом виникнення зародків твердих кристалічних тіл, їх росту та взаємного зрощування під дією міжатомних хімічних сил) зв’язків. Кристалізаційні зв’язки (зв’язки кристалів окислів кремнію, заліза та ін.) – слабкі, найбільш міцні та не відновлюються після їх руйнування; коагуляційні та конденсаційні - м’які, з більшим чи меншим ступенем відновлюваності після їх порушення. Отже, кристалізаційні зв’язки виникають під дією сил хімічної спорідненості, утворюючи з мінеральними частинками (у точках контакту) нові полікристалічні з’єднання – дуже міцні, але слабкі та не відновлювані при руйнуванні. Міцність цих зв’язків  залежить від складу мінералів. Так, менш міцні та водостійкі зв’язки утворюють гіпс та кальцит, в той час як опал, окисли заліза і кремнію дають більш міцні та водостійкі кристалізаційні зв’язки.

5.Алю́вій (від лат. Alluvio — наносити, замулювати) — незцементовані відклади постійних водних потоків (рік, струмків), що складаються з уламків різного ступеню обкатаності  і сортування (валуни, галька, гравій, пісок, суглинок, глина). Гранулометричний і мінеральнийсклади та структурно-текстурні особливості алювію залежать від гідрологічного режиму ріки, характеру порід, що нею розмиваються,рельєфу і площі водозбору,  геоморфологічних умов території. Дельти рік повністю складаються з алювіальних відкладів, і фактично є довгоживучими алювіальними конусами виносу. Наявність алювіальних відкладів у розрізі є найважливішою ознакою континентального тектонічного режиму території. Алювіальні відклади були вперше виділені в окремий тип англійським геологом Вільямом Баклендом у 1823 році. В російській імперії термін «алювій» вперше вжив відомий геолог-ґрунтознавець Василь Докучаєв у 1878 році. Відтоді збереглась традиція називати усі новітні континентальні відклади, утворені в голоценову епоху алювієм, хоча це не зовсім так, оскільки відомі елювіальні леси, пролювіальні конуси виносу, делювіальні «плащі», та ін. Утворення алювію відбувається в результаті безперервної взаємодії динамічного водного потоку з руслом: при врізанні (донна і бокова ерозія) та акумуляції осадку, як русло керує потоком, так і потік впливає на русло. Під дією потоку води річище безперервно переформовується, зазнаючи деформації трьох типів:

• вертикальні (понижується в результаті глибинної ерозії, чи піднімається за рахунок акумуляції)
• горизонтальні (зміна річища в плані під дією бокової ерозії — призводить до розмиву берегів, розширенню річкової долини і утворенню заплави)
• поздовжні (міграція руслових наносів призводить до утворення в руслі нерівностей — перекатів, мілин, островів, ті ін.)

Провідним фактором у формуванні алювіальних відкладів є гідродинаміка водних потоків. Маса води і швидкість течії визначають кінетичну енергію і транспортну здатність потоку. Річкові водні потоки переносять уламковий матеріал у формі звішених і волочильних наносів. У звішеному стані транспортуються частинки з розміром менше 0,2 мм у попереку, більші — волочінням по дну. Спосіб руху крупноуламкового матеріалу дном називається сальтацією — частинки ніби скачуть дном. Так, при швидкості придонної течії 0,16 м/с дном пересувається дрібний пісок, при 0,22 м/с — крупнозернистий пісок, а при 1 м/с транспортується дрібна галька.

Континентальні алювіальні відклади складають річкове ложе, заплаву і тераси річкових долин. Алювій відіграє важливу роль в геологічній будові більшості континентальних осадових формацій. Алювіальні відклади річок утворюються і мігрують:

• у процесі відкладання в руслі і прируслових валах (барах) уламкового матеріалу, розмитого водним потоком вище за течією
• під час повені, або паводку, коли ріка виходить за межі берегових уступів, і глина, мул та мілкий пісок осідають по всій поверхні заплави (формування заплавної фації)
• при міграції річкових меандрів і утворенні алювіальних відкладів услід за прирусловою мілиною луки, що зміщується, вздовж її внутрішнього берега.

Кількість уламкового матеріалу, який переноситься річками (твердий стік), сягає величезних значень: у випадку з Міссісіпі річний обсяг твердого стоку оцінюється у 406 млн.т., Хуанхе — 796 млн. т.  Відповідно, потужність алювіальних відкладів в дельтах таких річок, як Міссісіпі, Ніл, Амазонка, Конго, Хуанхе, Волга, та ін. становить сотні і тисячі метрів, а об'єми — десятки і сотні км³ теригенного матеріалу. Загалом, річний твердий стік усіх річок складає близько 17 гігатонн, що на порядок більше ніж виноситься з континентів льодовиками, чи вітром. Майже 96% цього об'єму осідає в дельтах і на континентальному шельфі.

Поперечний розріз типової річкової долини. Цифри: 1-Старичний алювій; 2-Алювій прируслового валу; 3-Русловий алювій 1-ї тераси; 4-Заплавний алювій 2-ї тераси; 5-Русловий алювій 2-ї тераси; 6-Дочетвертинні відклади; 7-Дзеркало ґрунтових вод; 8-Рівень максимального підняття води в заплаві (повінь); 9- Рівень мінімального зниження води в заплаві (межень); 10-Нормальна потужність алювію; 11- водозабірна гідрогеологічна свердловина; А- річище; В- заплава; С- стариця; D- прирусловий вал; II- друга надзаплавна тераса.

Схематичний гідрогеологічний розріз алювіального фену. Цифри в кружечках: 1-Дочетвертинні корінні відклади; 2-Алювіальні піски і гравійно-галечники; 3-Глини і суглинки; 4-Рівень грунтових вод; 5-Структурна пастка прісних вод; 6-Сухі свердловини; 7-Гідрогеологічна свердловина в алювіальних відкладах з прісною питною водою; 8-Гідрогеологічна свердловина в зоні фаціального переходу колектор-водотрив, можливо з мінералізованою водою.

6.Гранулометричний (зерновий) склад грунту є однією з найважливіших його характеристик. Вона виражається через криву гранулометричного складу – інтегральну криву розподілу зерен грунту за розміром (див. п.3). Чим більш неоднорідним є грунт, тим більш пологою буде крива його складу. Для чисельного вираження неоднорідності крупноуламкових і піщаних грунтів використовується показник С_u – ступінь неоднорідності:  С_u = d₆₀/d₁₀ , де d₆₀ і d₁₀ – діаметри частинок, менших за які в даному грунті міститься (за масою) відповідно 60 і 10% частинок. Чим ближче ступінь неоднорідності до одиниці, тим більш однорідним за гранулометричним складом є грунт. При С_u >3 грунт називається неоднорідним. Нам дано: d₁₀ = 0,18 мм; d₆₀ = 1,12 мм. Визначаємо ступінь неоднорідності:  С_u = 1,12/0,18 = 6,22 . Робимо висновок, що даний грунт – неоднорідний.

7.За наведеною вище (в  п.3) класифікацією визначаємо, що  частинки розміром 0,0008 мм відносяться  до глинистих. Форма їх найчастіше  витягнута l:b:h = 100:10:1

8.Видатний російський  науковець, проф. М.О.Цитович виділив такі розділи геомеханіки:

• Природа грунтів та їх фізичні властивості.
• Основні закономірності механіки грунтів.
• Визначення напружень в грунтовій товщі.
• Теорія граничного напруженого стану грунтів та її додатки.
• Деформації грунтів і розрахунок осадок фундаментів.
• Реологічні процеси в грунтах і їх значення.
• Питання динаміки дисперсних грунтів.

9.За міжнародними стандартами  Liquid limit (верхня межа пластичності), LL у стандарті ASTM, W_L у стандарті ISO – визначається за стандартом ASTM D 4318 методом Казагранде, за стандартом ISO/TS 17892 – методом падаючого конуса.

 Liquid limit open dried (верхня межа пластичності після висушування), LL_O – визначається методом Казагранде після висушування грунту в печі при t=105^oC.

 Liquid limit non dried (верхня межа пластичності після висушування), LL_N – визначається методом Казагранде в грунті з природною вологістю.

10. Клас скельних грунтів  об’єднує магматичні, метаморфічні та осадові породи в кристалічному стані: граніти, діорити, діабази, базальти, трахіти, нейси, кристалічні сланці, кварцити, мармури, кременисті піщаники, конгломерати, брекчії, хемогенні вапняки, доломіти тощо. Ці грунти залягають у вигляді суцільного масиву або тріщинуватого шару. Магматичні гірські породи відповідно до умов свого утворення мають певні, тільки їм властиві форми залягання в земній корі. Формами залягання інтрузивних гірських порід являються батоліти, штоки, лаколіти, жили. Ефузивні гірські породи залягають зазвичай у вигляді куполів, покровів та потоків. Осадові гірські породи залягають у формі шарів, пластів, лінз, мішків, валів, шлейфів. Мінеральні зерна, а також уламки порід, з яких складаються скельні грунти, з’єднані між собою структурними зв’язками. У скельних грунтах магматичного, метаморфичного і в деяких грунтах осадового походження ці зв’язки є кристалізаційними, зумовленими діями міжатомних сил. У більшості скельних грунтів осадового походження зв’язки цементаційні. Завдяки структурним зв’язкам і високій міцності самих мінеральних частинок і уламків порід скельні грунти мають високу міцність, яка характеризується межею міцності на одноосьове стиснення у водо-насиченому стані – де максимальне руйнівне навантаження.

Поряд з цим скельні грунти практично  нестисливі при тисках, що виникають  від будівель і споруд. Пористість у більшості скельних грунтів  дуже невелика. Але в деяких, зокрема  в осадових, вона може досягати 26 %. Пористість значною мірою визначає міцність і деформативність цих грунтів, їхні можливості щодо вивітрювання і морозостійкості.

Більшість скельних грунтів при  взаємодії з водою не змінює своїх  властивостей. Проте деякі скельні  грунти з твердими кристалізаційними зв’язками знижують свою міцність під дією води. Ця властивість скельних грунтів називається розм’якшенням і характеризується ступенем розм’якшення, який виражає відношення міцності на стискання після насичення водою міцності в сухому стані. Розрізняють нерозм’якливі скельні грунти і розм’якливі. Осадові зцементовані грунти так діляться за ступенем розчинності у воді.

При оцінці основ, складених скельними  грунтами, необхідно мати на увазі, що властивості скельних грунтів  у зразках відрізняються від їх властивостей у масиві. Це пояснюється тим, що масиви звичайно бувають розчленовані тріщинами відокремлення, а також тектонічними тріщинами.

Властивості скельних грунтів залежать також від їх структури і текстури. Оскільки основи, складені скельними грунтами, розраховуються за несучою спроможністю (міцністю), то найважливішою властивістю таких грунтів є міцність на стискання. Але треба зважити й на те, що навіть у випадку забезпечення міцності основи будівля або споруда може вийти з ладу через трату загальної стійкості масиву, наприклад при зміщенні його по похилій тріщині. З цього можна зробити висновок, що під час інженерно-геологічних досліджень особливості залягання скельних грунтів повинні уважно вивчатись. А взагалі скельні грунти є надійними основами, в тому числі і в сейсмічних районах.