Тема 10

Класифікація ґрунтів у будівництві

 

Відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТУ 25100-95 „Ґрунти. Класифікація”, всі ґрунти за загальним характером структурних зв'язків діляться на чотири класи:

I. Клас природних скельних ґрунтів (із твердими структурними зв'язками – кристалізаційними й цементаційними) – магматичні, метаморфічні й міцні осадові ґрунти.

ІІ. Клас природних дисперсних ґрунтів (з механічними й водно-колоїдними структурними зв'язками) – пухкі осадові ґрунти.

ІІІ. Клас природних мерзлих ґрунтів (із кріогенними структурними зв'язками, тобто з наявністю льоду й негативною температурою) – скельні й дисперсні ґрунти.

IV. Клас техногенних ґрунтів (з різними структурними зв’язками, що виникли в результаті діяльності людини) – скельні, дисперсні й мерзлі ґрунти.

Класи ґрунтів, відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТУ 25100—95, поділяються на п'ять таксономічних одиниць за наступними ознаками: група – за характером структурних зв'язків (з урахуванням їх міцності); підгрупа – за походженням й умовами утворення; тип – за речовинним, тобто хіміко-мінеральним складом; вид – за найменуванням ґрунтів (з урахуванням розмірів часток і показників властивостей); різновид – за кількісними показниками складу, властивостей і структури ґрунтів.

Найменування ґрунтів повинні містити відомості про їхній геологічний вік. Наприклад: „верхньочетвертинні суглинки”, „палеогенові глини” і т.ін.

Класифікація ґрунтів за ДСТ 25100-95 поширюється на всі ґрунти і є обов'язковою при проведенні інженерно-геологічних вишукувань, проектуванні й будівництві будівель і споруд.

 

10.1. Клас природних скельних ґрунтів

До класу природних скельних ґрунтів відносяться магматичні, метаморфічні й міцні силікатні та карбонатні осадові ґрунти (піщаники, вапняки, гіпси та ін.). В інженерно-геологічних цілях їх звичайно поділяють за межею міцності на одноосьовий стиск, коефіцієнтом розм’якшування у воді й ступенем вивітрюваності.

 

Таблиця10.1

 

Характеристика скельних і напівскельних ґрунтів

Принцип поділу

Різновиду ґрунтів

Показник

За межею міцності на одноосьовий стиск у водонасиченому стані

Скельні

     дуже міцні

     міцні

     середньої міцності

     маломіцні

 

Rс>120МПа

120> Rс >50

50> Rс > 15

15> Rс >5

Напівскельні

     зниженої міцності

     низької міцності

     досить низької міцності

 

5 > Rс > 3

3 > Rс > 1

Rс < 1

За коефіцієнтом розм’якшування у воді

Не розм'якшуються

Розм'якшуються

За ступенем вивітрюваності

Невивітрювані монолітні

Породи залягають у вигляді суцільного масиву,

Слабовивітрювані (тріщинуваті)

Породи залягають у вигляді виокремлень (брил),

Вивітрювані

Породи залягають у вигляді скупчення шматків, що переходять у тріщинувату скелю,

Сильнотріщинуваті (рухляки)

Породи залягають у всьому масиві у вигляді окремих шматків,

 

Найважливішою класифікаційною характеристикою скельних ґрунтів є межа міцності на одноосьовий стиск у водонасиченому стані Rc, МПа, що являє собою відношення навантаження, при якому відбувається руйнування зразка, до площі первинного поперечного перерізу.

Залежно від величини Rc розрізняють скельні (Rc > 5 МПа) і напівскельні (Rc < 5 МПа) ґрунти

Скельні ґрунти залягають звичайно у вигляді суцільного або тріщинуватого масиву. Наявність структурних зв'язків кристалічного типу обумовлює їх малу деформованість і високу міцність, що значно перевищує навантаження, існуюче в будівельній практиці.

Найбільші значення межі міцності на одноосьовий стиск характерні для залізистих кварцитів, дрібнозернистих гранітів і монолітних діабазів, а також габро, базальтів – до 380-460 Мпа, а найменші для осадових зцементованих і хімічних – вапняк вивітряний, піщаник вивітряний та ін. – 8-40 Мпа. Скельні ґрунти дрібно- і рівномірнозернисті мають значно більшу міцність, ніж грубозернисті й порфіроподібні.

Напівскельні ґрунти – це сильно тріщинуваті та вивітряні магматичні породи, а також вулканічні туфи й деякі осадові хімічні й органічні породи – крейда, гіпси, кам'яні солі, вапняки-черепашники. До напівскельних відносяться піщаники й конгломерати із глинистим цементом. Та сама порода (наприклад, піщаник) залежно від типу цементу може відноситися або до скельного (піщаник на кремнеземистому цементі), або до напівскельного (піщаник на глинистому цементі).

За своїми параметрами напівскельні ґрунти відрізняються від скельних меншою міцністю (Rc < 5 МПа), більшою деформованістю, пористістю й вологоємністю. У цілому вони досить стійкі по міцності, однак через здатність деяких з них до розм'якшення й розчинення у воді (гіпс, кам'яна сіль, мергель і ін.) вимагають у ряді випадків застосування складних інженерних заходів при будівельному освоєнні. Відношення до води й у першу чергу їх розчинність мають важливе значення не тільки для напівскельних, але й для деяких скельних ґрунтів (вапняки, доломіти). Із цими ґрунтами пов'язаний розвиток досить розповсюдженого у світі небезпечного геологічного процесу – карсту. На міцні сні показники скельних і напівскельних ґрунтів великий вплив має коефіцієнт вивітрюваності , тобто відношення щільності вивітряного ґрунту до щільності невивітряного. При значенні  < 0,9 міцність ґрунтів значно знижується. Так, наприклад, межа міцності граніту на одноосьовий стиск Rc у невивітряному стані становить 80-380 МПа, а для вивітряних різновидів він не перевищує 4-6 МПа.

Розглянутий клас ґрунтів поділяють і за величиною коефіцієнта розм’якшування , тобто за відношенням меж міцності на одноосьовий стиск у водонасиченому і повітряно-сухому станах.

Одним з найважливіших питань при інженерно-геологічних дослідженнях скельних і напівскельних ґрунтів є оцінка їхньої тріщинуватості. Розбиваючи масив скельних ґрунтів на окремі блоки, тріщинуватість збільшує водопроникність, деформованість, знижує міцнісні показники ґрунтів і багато в чому утрудняє організацію виробництва будівельних робіт. Важливо встановити не тільки генетичні типи тріщин, якісні й кількісні показники тріщинуватості (модуль тріщинуватості, коефіцієнт тріщинної пустотності й ін.), але й оцінити її вплив на фізико-механічні властивості й фільтраційні параметри масиву ґрунтів. Особливо це важливо при проектуванні й будівництві таких споруд, як греблі, водоймища, тунелі.

 

10.2. Клас природних дисперсних ґрунтів

10.2.1.Характерні риси дисперсних ґрунтів

Дисперсні ґрунти складаються з окремих уламків (часток) різної крупності, слабко зв'язаних один з одним. Їхнє утворення пов'язане з вивітрюванням скельних ґрунтів і наступним перевідкладенням продуктів вивітрювання водним, вітровим або іншим способами. Більше 80% всієї осадової оболонки земної кори складено дисперсними ґрунтами.

Для дисперсних ґрунтів характерні нежорсткі механічні й водно-колоїдні структурні зв'язки. До ґрунтів цього типу відносять пухкі осадові уламкові породи, які поділяють на зв'язні й незв'язні.

У порівнянні зі скельними й напівскельними ґрунтами дисперсні ґрунти, особливо зв'язні, відрізняються значно меншою міцністю й більшою деформованістю. Для них характерна різка мінливість фізичного стану й властивостей, різноманіття текстурно-структурних особливостей, висока пористість, слабкі структурні зв'язки й досить різна водопроникність, від високої й дуже високої для незв'язних ґрунтів (пісків і гальки) до дуже незначної (зв'язні ґрунти).

Умови будівництва різних споруд на дисперсних ґрунтах часто поєднані зі значними труднощами. Найбільші ускладнення при будівництві звичайно пов'язані з так званими специфічними ґрунтами, тобто ґрунтами особливого складу, стану й властивостей (лесовими просадними, набухаючими, елювіальними та ін.).

Зазначені вище особливості дисперсних ґрунтів, особливо зв'язних (глинисті ґрунти та ін.), вимагають всебічного інженерно-геологічного вивчення їх при проектуванні й будівництві різних споруд.

 

10.2.2. Зв'язні ґрунти

До цієї групи дисперсних ґрунтів відносять глинисті, а також органомінеральні й органічні ґрунти.

Глинисті фунти (супіски, суглинки й глини) у будівельній практиці найбільш часто служать основами найрізноманітніших споруд. Дуже широко вони використовуються і як природні будівельні матеріали.

Для глинистих ґрунтів характерне залягання у вигляді окремих шарів, а також прошарків і лінз. Потужність їх досить різноманітна – від часток метра до багатьох сотень метрів. У складі глин переважають глинисті мінерали (до 95%) – гідрослюда, каолініт, монтморилоніт та ін., як домішки містяться кварц, польові шпати, слюди й інші мінерали. У супісках переважають уже так звані кластогенні мінерали (кварц, польові шпати й ін.). Суглинки за мінеральним складом займають проміжне місце між глинами й супісками.

Глинисті ґрунти характеризуються не тільки фізичними й механічними властивостями, розглянутими нами вище, але й специфічними властивостями, властивими звичайно тільки цій групі дисперсних ґрунтів: пластичністю, консистенцією, липкістю, розмоканням, корозійністю, набуханням, усадкою та ін.

Пластичністю називають здатність глинистого ґрунту під впливом зовнішніх механічних зусиль змінювати свою зовнішню форму без руйнування й розриву й зберігати надану йому форму після усунення дії зовнішньої сили.

Характерні вологості, які обмежують інтервал прояву пластичних властивостей, називають границями (межами) пластичності. Під границею текучості WL розуміється вологість, при якій ґрунт переходить із пластичного стану в текучий, а під границею розкочування WРвологість при переході глинистого ґрунту із пластичного стану в напівтвердий або твердий.

Різниця між WL і WР називається числом пластичності ІР, тобто

ІР = WL - WР

Відповідно до ДСТ 25100-95 глинисті ґрунти за числом пластичності поділяються в такий спосіб:

Ґрунт                                                           ІР

Супісок................................................... 1—7

Суглинок................................................ 7—17

Глина...................................................... > 17

За ДСТ 25100-95 глинисті ґрунти за числом пластичності поділяють і більш детально з урахуванням даних про гранулометричний склад (табл. 10.2).

Таблиця 10.2

Класифікація глинистих ґрунтів за числом пластичності і гранулометричним складом

Різновид глинистого ґрунту

Число пластичності, ІР

Вміст піщаних часток (2 – 0,5 мм), %

Супісок: піщаний

1 – 7

>50

                пилуватий

17

<50

Суглинок: легкий піщанистий

712

>40

                   легкий пилуватий

712

<40

                  важкий піщанистий

1217

>40

                  важкий пилуватий

1217

<40

Глина: легка піщаниста

1727

>40

             легка пилувата

1727

<40

             важка

>27

Не регламентується

 

Консистенція глинистих ґрунтів. Залежно від вологості глинисті ґрунти мають різний фізичний стан або консистенцію – текучу, пластичну й тверду. Якщо природна вологість ґрунту менша границі розкочування, ґрунт перебуває у твердому стані, тобто W < WР. При значеннях WР < W < WL для ґрунту характерний пластичний стан, а при W > WL текучий. Крім основних трьох форм консистенції виділяють також проміжні: напівтверду, тугопластичну, м’якопластичну й текучопластичну. Для характеристики консистенції глинистого грунту в будівельних цілях використовують показник текучостіі (консистенції) IL:

.

Показник текучості IL може бути як негативним (тверді грунти), так і позитивним, у тому числі й більше 1 (текучі грунти).

Липкість – здатність глинистих ґрунтів при певному вмісті води прилипати до поверхні різних предметів. Ця властивість найбільш характерна для вологих глинистих, лесових, торф'яних та інших дисперсних ґрунтів. За кривою залежності липкості від вологості визначають: вологість початкового прилипання (WПП), вологість максимального прилипання (WМП) і максимальну липкість (Lmax). Максимальне значення липкості для глинистих ґрунтів залежно від їхнього хіміко-мінерального складу, дисперсності, вологості й інших факторів змінюється від 0,002 до 0,55 Мпа. Значення липкості враховують у дорожнім будівництві при аналізі роботи дорожніх машин, а також при виконанні розкривних робіт на кар'єрах і т.д. Для зниження липкості глинистих ґрунтів, наприклад при улаштуванні ґрунтових доріг, у них додають пісок.

Розмоканням називають здатність ґрунтів при зануренні в спокійну воду втрачати зв’язність і перетворюватися в пухку масу із частковою або повною втратою міцності. Переважна більшість глинистих ґрунтів відноситься до категорії таких, що розмокають у тій чи іншій мірі. Розмокати можуть і скельні ґрунти, наприклад, піщаники із глинистим і розчинним цементом.

Показниками розмокання ґрунтів є: 1) час розмокання; 2) характер розмокання, що оцінюється візуально, і 3) кінцева вологість розмокання.

На характер і швидкість розмокання глинистих грунтів впливають хіміко-мінеральний склад, структурно-текстурні особливості, склад обмінних катіонів і особливо початкова вологість ґрунту. У будівельній практиці розмокання вивчається для оцінки стану ґрунтів при розкритті їх котлованами й виїмками, укоси й дно яких можуть піддаватися впливу води.

На відміну від розмокання інша характерна властивість дисперсних ґрунтів – розмивання – проявляється тільки при тривалому впливі текучої води на ґрунтову товщу.

Корозійні властивості дисперсних ґрунтів проявляються при взаємодії підземних металевих конструкцій (сталевих трубопроводів та ін.) з рідким компонентом ґрунту, тобто з електролітом. Процес руйнування матеріалів внаслідок цієї взаємодії одержав назву корозії.

Якісно корозійна активність ґрунтів характеризується тим терміном, після закінчення якого в металевій конструкції з'являється перша каверна. Для кількісної оцінки корозійної активності ґрунтів, що залягають вище рівня ґрунтових вод, проводять польові й лабораторні дослідження.

Найбільшою корозійною активністю до металевих конструкцій володіють торф'яні, засолені й болотні ґрунти, а також глинисті з вологістю в інтервалі 10-25%, при високих значеннях кислотності (рН 2-3) і лужності (рН 11-14), насичені киснем, сірководнем і з високим вмістом хлоридів.

Втрати від корозії приносять величезний збиток. Щорічно більше 5% закладеного у ґрунти металу виходить із ладу. Основними способами захисту підземних металевих конструкцій від корозії є протикорозійні ізолюючі покриття (бітумні, цементні, полівінілхлоридні, а також поліетиленові стрічки й ін.).

 

10.2.3. Незв'язні ґрунти

Група незв'язних дисперсних ґрунтів поєднує пухкі, сипучі осадові утворення з дуже слабкими (або практично відсутніми) структурними зв'язками. Розрізняють два види незв'язних ґрунтів: піщані й великоуламкові.

Піщані ґрунти характеризуються перевагою часток розміром 0,05 – 2 мм. За ДСТ 25100-95, пісок – це незв'язний мінеральний ґрунт, у якому маса часток розміром менше 2 мм становить більше 50%. У сухому стані піски позбавлені структурних зв'язків і перебувають у сипучому (пухкому) стані. При збільшенні вологості вони здобувають деяку зв’язність. Серед піщаних ґрунтів виділяють різновиди за гранулометричним складом, ступенем неоднорідності, коефіцієнтом пористості, ступенем щільності й вмісту органічних речовин.

За гранулометричним складом відповідно до ДСТ 25100 – 95 пісок поділяється на різновиди (табл. 10.3).

 

Таблиця 10.3

Гранулометричні різновиди пісків

Різновид ґрунтів

Розмір зерен, часток, d, мм

Вміст зерен, часток, % по масі

Пісок:

 гравійний

>2

>25

 великий

>0,50

>50

 середньої крупності

>0,25

>50

 дрібний

> 0,10

>75

 пилуватий

>0,10

<75

 

В інженерно-геологічній практиці виділяють також піски глинисті, утримуючі понад 3 % глинистих часток і не володіють властивістю пластичності.

Щільність укладання пісків оцінюється за величиною коефіцієнта пористості е (табл. 10.4).

Таблиця 10.4

Щільність укладання пісків залежно від коефіцієнта пористості

Щільність укладання пісків

Коефіцієнт пористості е

Піски гравійні, великі й середні

Піски дрібні

Піски пилуваті

Щільний

<0,55

<0,60

<0,60

Середньої щільності

0,55 – 0,70

0,60 – 0,75

0,60 – 0,80

Пухкий (рихлий)

>0,70

>0,75

>0,80

 

Оцінювати якість ущільнення пісків у насипі, прогнозувати зміну їхньої щільності під дією статичних і динамічних навантажень можна й за допомогою іншого показника – ступеня щільності пісків, ID.

,

де е – коефіцієнт пористості при природному або штучному ущільненні;   коефіцієнт пористості в гранично-щільному укладанні;   те ж у гранично-пухкому.

Залежно від величини ID виділяють піски: пухкі (слабо ущільненні) від 0 до 0,33; середньої щільності 0,33 – 0,66 і щільні – 0,66 – 1,0.

За відносним вмістом органічних речовин піски поділяють на два різновиди: з домішкою органічних речовин – від 0,03 до 0,1 і без їхньої домішки – менше 0,03.

Міцність піщаних ґрунтів характеризують за допомогою кута внутрішнього тертя (). У піщаних ґрунтах він приблизно дорівнює куту природного укосу, тобто ухилу, що утворює вільна поверхня сухих пісків (укіс). Найбільшою міцністю володіють піски, у складі яких переважають кварц, польові шпати й інші, стійкі до процесів вивітрювання мінерали.

Для піщаних ґрунтів характерна їх відносно висока водопроникність (від 1,0 м/доб для пилуватих пісків і до 100 м/доб для гравійних пісків).

У цілому піски відносяться до малостискальних, стійких і надійних основ для різних будівель і споруд.

Однак у ряді випадків піски можуть володіти й такими несприятливими властивостями, як пливунність, здатність до суфозійного виносу тонких часток, схильність впливу вібрації та ін. Особливо небезпечна для будівництва пливунність пісків. Пливунами називають деякі види водонасичених тонко- і дрібнозернистих пилуватих пісків, супісків та інших пухких відкладень, які при розкритті їх будівельними та іншими виїмками приходять у розріджений стан і поводяться на зразок важкої, в'язкої рідини. Для боротьби із пливунами застосовують заморожування, хімічне закріплення й осушення за допомогою голкофільтрових установок.

Великоуламковий ґрунт – це незв'язний мінеральний ґрунт, у якому маса часток розміром крупніше 2 мм становить більше 50%.

За гранулометричним складом відповідно до ДСТ 25100- 95 його поділяють на:

валунний (глибовий) – маса часток крупніше 200 мм більше 50%.

гальковий (щебенистий) – маса часток крупніше 10 мм більше 50%.

гравійний (дресв’яний) - маса часток крупніше 2 мм більше 50%.

Властивості великоуламкових ґрунтів у значній ступені залежать від виду й вмісту заповнювача. При наявності у великоуламкових ґрунтах піщаного заповнювача більше 40% або глинистого заповнювача більше 30% від загальної маси повітряно-сухого ґрунту в найменування великоуламкового ґрунту варто додавати найменування виду заповнювача (наприклад, гравійний ґрунт із піщаним заповнювачем).

Міцність великоуламкових ґрунтів залежить від мінерального складу уламків і ступеня їх вивітрювання. Найбільшою міцністю володіють великоуламкові ґрунти, що складаються з магматичних порід або з таких метаморфічних порід, як кварцити і гнейси.

Великоуламкові ґрунти відрізняються дуже високою водопроникністю. Швидкість фільтрації води в них перевищує сотні метрів у добу. При розкритті будівельними котлованами водонасичених великоуламкових ґрунтів значну складність викликає боротьба з великими припливами води. При наявності у великоуламкових ґрунтах піщаного й особливо глинистого заповнювача водопроникність їх різко знижується.