Раздел II. Грунтознание
Грунтознанието е раздел от инженерната геология, изучаващ състава и свойствата на строителните почви (от рус. грунт - почва), върху които се извършва строителната дейност на човека. ВЪПРОС 9. ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОЖКА КЛАСИФИКАЦИЯ НА СТРОИТЕЛНИТЕ ПОЧВИ. ФИЗИЧНИ СВОЙСТВА 1. Терминология Строителните почви са основа, среда и материал за инженерните съоръжения. Те имат различен произход, състав, строеж, свойства и възраст. В геологията се използва понятието “скала”, което означава асоциация от минерали. Геолозите наричат “скали” както здравите, твърди масиви, така и дисперсните скали – глини, пясъци, чакъли, които в общоприетия смисъл са “почви”. В строителството се използва обобщеното понятие“строителна почва”. То включва както здравите скали, така и дисперсните почви като обект на инженерностроителната дейност на човека, осъществявана в геоложка среда. Геоложката среда е частта от литосферата, в която се проявява жизнедеятелността на човека и влиянието на атмосферата, хидросферата и биосферата. От своя страна строителството разделя строителните почви на две основни групи – скали (здравите твърди геоложки тела) и дисперсни (раздробени) почви (меките или рохкави разновидности). Друго понятие, използвано в геологията и строителството е “скален масив”. Това е естествено геоложко тяло, изградено от различни по произход и възраст скали с разнообразен състав, строеж и свойства. От механична гледна точка скалният масив се състои от два структурни елемента – скални блокове (основна част от обема) и прекъснатости (пукнатини). 2. Инженерногеоложки и строителни класификации на строителните почви 2.1. Предназначение на класификациите − за предварителна оценка на състоянието на строителните почви, скалните масиви и строителната площадка; − за съставяне на специализирани инженерногеоложки карти и разрези; − за определяне на обема и методите на проучване на строителната площадка; − за избор на мерки за укрепване на строителната основа. 2.2. Видове класификации Частни класификации Частните класификации засягат отделни свойства на скалите и скалните масиви – по плътност, по порестост, по съдържание на различни хим. вещества или минерали, по произход и др. Обобщени класификации Обхващат големи групи строителни почви, като се класифицират по произход, състав и структурно-текстурни особености, които определят основните свойства. Най-добра би била класификация, която обхваща както генетичните и структурно-тестурните особености на скалите, така и техните свойства. Освен тези класификации има и специфични – регионални, отраслови и др. От инженерно-геоложка гледна точка скалите и почвите от различните генетични групи може да притежават сравнително близки свойства, което позволява използването на общи методи за изучаването и оценката им.
54
Раздел II. Грунтознание
2.3.
Български и европейски стандарти за класификация на строителни
почви БДС 676 – 85 - Почви строителни. Класификация. Действащ български държавен стандарт, описващ принципите на класификация на строителните почви. Европейски норми, съдържащи основните правила за описание и класификация на дисперсни почви. БДС EN ISO 14688 – 1:2002 – Геотехнически изследвания и изпитвания. Идентификация и класификация на почви. Част 1 – Идентификаиця и описание. БДС EN ISO 14688 – 2:2004 – Геотехнически изследвания и изпитвания. Идентификация и класификация на почви. Част 2 – Принципи за класификация. Европейски норми, съдържащи основните правила за описание и класификация на скали. БДС EN ISO 14689 – 1:2004 – Геотехнически изследвания и изпитвания. Идентификация и класификация на скали. Част 1: Идентификация и описание. 2.4. Класификация на строителните почви по БДС Според БДС 676—85 строителните почви се делят на два класа: а) споени (циментирани): — скали; — полускали. б) дисперсни (раздробени); — несвързани; — свързани; — особени. Споените скали се характеризират със здрави, кристализационни структурни връзки между минералните зърна. Якостните им свойства са в зависимост от твърдостта на минералите. Якостта на натиск е Rn > 5 Mpa. Скали. Към тях спадат голяма част от магмените, седиментните и метаморфните твърди, здрави скали. Полускали. Към тях се отнасят по-меките споени скали – мергели, аргилити, някои метаморфни скали – филити, слюдени и талкови шисти. Дисперсните почви се характеризират със слаби молекулни или йонноелектростатични връзки между минералните зърна. Характерни са ниските якости, зависещи от водното съдържание. Свързани почви (глини, песъчливи глини и др.). Преобладават молекулните и йонноелектростатичните връзки. Характерни са големи зависимости на деформационните и якостните свойства от водното съдържание, както и големите и бавни слягания. Несвързани разновидности (пясъци, валуни, чакъли). Отделните зърна имат главно електростатични връзки от триенето помежду си. Отсъства пластичност или показателят на пластичност е под 1%. Особени почви- макропорести (льос и льосови разновидности), органични (хумус, торф, тини), засолени, набъбващи. характеризират се със специфични свойства, неустойчиви структурни връзки, ниски деформационни и якостни показатели. 2.5. Класификация на дисперсните почви по Еврокод 7 Класификацията на дисперсните почви, съгласно БДС EN ISO 14688, заложен в Еврокод 7 – Геотехническо проектиране, се извършва по техния зърнометричен състав.
55
Раздел II. Грунтознание Табл. 9.1. Фракции и подфракции на почвените зърна, съгласно БДС EN ISO 14688-1:2002 почвени фракции подфракции символ размер на частиците, mm големи валуни Lbo > 630 много едрозърнеста валуни Bo 200 – 630 камъни Co 63 – 200 чакъл Gr 2.0 – 63 едър чакъл CGr 20 - 63 среден чакъл MGr 6.3 - 20 дребен чакъл FGr 2.0 – 6.3 едрозърнеста пясък Sa 0.063 - 2.0 едър пясък CSa 0.63 - 2.0 среден пясък MSa 0.2 - 0.63 дребен пясък FSa 0.063 - 0.2 прах Si 0.002 – 0.063 едър прах CSi 0.02 - 0.063 среден прах MSi 0.0063 - 0.02 финозърнеста ситен прах FSi 0.002 - 0.0063 глина Cl < 0.002 Табл. 9.2. Класификация на почвите в зависимост от съдържанието на различни фракции по БДС EN ISO 14688-2:2004
фракция размери, mm Чакъл (2.0 – 63.0) Пясък (0.063 - 2)
Прах+глина (< 0.063) (финозърнеста)
съдържание по съдържание по маса на глина маса на частици (<0.002 mm) от с размери ≤ 63 частиците mm, % ≤0.063 mm, % 20 – 40 > 40 20 – 40 > 40 < 20 5 – 15 ≥ 20 < 20 15 – 40 ≥ 20 < 10 10 – 20 > 40 20 – 40 > 40
наименование на почвата основен уточняващ термин термин чакълест песъчлив леко прахов леко глинест прахов глинест глинест прахова
Чакъл Пясък Прах
Глина
56
Раздел II. Грунтознание
БДС EN ISO 14688-2 (Еврокод 7) класифицира почвите по зърнометричен състав с триъгълна диаграма и таблица
2.6. Класификация на скалите по Еврокод 7 Класификацията на скалите, съгласно БДС EN ISO 14689, заложен в Еврокод 7 – Геотехническо проектиране, се извършва по следните основни параметри: 1) Група по произход – магмени, седиментни, метаморфни. 2) Цвят. 3) Минерален състав. 4) Едрина на минералните агрегати (структура и текстура). 5) Якост на натиск. 57
Раздел II. Грунтознание
6) 7) 8) -
Дебелина и наклон на пластовете (нашистяването). Степен на изветрялост. Напуканост, включително: Разстояние между пукнатините; Дълбочина на пукнатините; Наклон на пукнатините; RQD Ширина и запълненост на пукнатините.
3. Класификации на скалните масиви От многопараметровите класификации на скалните масиви най-разпространени са класификациите на Бенявски и на Бартон и др. Бенявски класифицира скалните масиви по бал (RMR - Rock Mass Rating), който нараства с подобряване свойствата на скалите и качествата на масива от 0 до 100 (Табл. 9.1). Класификацията се основава на шест параметъра: RMR = Q = Rβs + RRQD + Rdj, + Rcj + RW + Roj. (9.1) където Q (RMR) е показателят за качество на скалния масив, бал; Rβs — параметър за якостта на едноосов натиск на ненарушена скала Оценява се чрез якостта на натиск – бал от 0 до 15; RRQD — дължина на сондажната ядка1 с големина > 10 сm - бал от 3 до 20; обща дължина на извадената сондажната ядка (RQD – rock quality designation. Показател, характеризиращ напукаността на скалните масиви)
Rdj — параметър за разстоянието между пукнатините – бал от 5 до 30; Rcj — параметър за състоянието на пукнатините – бал от 0 до 25; Rw — параметър за условията на оводняване – бал от 0 до 10; Roj — параметър за ориентацията на пукнатините – бал от 0 до (-12) за тунели, от 0 до (–25) за хидротехнически съоръжения. Табл. 9.1. Rock Mass Classes Determined from Total Ratings Rating Class No. Description
100 - 81
80 - 61
60 - 41
40 - 21
< 21
I
II
III
IV
V
Very good rock
Good rock
Fair rock
Poor rock
Very poor rock
4. Механични схеми на строителните почви Инженерната геология, земната и скалната механика изучават сложните природни образувания, наречени строителни почви, чрез механични схеми. Приложението на механичните схеми към геоложките явления и процеси изисква предварително детайлно наблюдение на геоложките явления в натура и установяване на основните черти на тези явления. При работа с механичните схеми освен това е необходимо установяване на общите закономерности, основани не само на качествена, но и на количествена оценка на механичната страна на явленията. Схематизираната представа за геоложкото явление трябва да намери потвърждение в практиката. В табл. 1.3 е дадена класификацията на механичните схеми на строителните почви.
1
Сондажна ядка е извадена от сондаж почвена или скална проба с цилиндричен сондажен инструмент (сондажна тръба).
58
Раздел II. Грунтознание Таблица 1.3. Основни механични схеми на строителните почви Строителна почва Механична схема 1 2 Скали (кристализационни връзки) — магмени скали, масивни и напукани — седиментни скали непрекъснато твърдо тяло (варовици, пясъчници) — метаморфни скали Слаби скали (вторични кристализационни връзки) (конгломерати, мергели, алевролити, поресто тяло с постоянно сцепление аргилити, глинести шисти) Свързани почви (водноколоидни връзки) поресто тяло с хидроаеростатичен (уплътнени глинести пясъци, песъчливи глини пълнител на поровото пространство и глини, льос, слабосвързани пясъци, почви) Слабосвързани почви (слабоуплътнени поресто тяло с течен пълнител на глинести пясъци, песъчливи глини и меки поровото пространство (почвена маса) глини) Почвени суспензии (тини) вискозна течност Несвързани почви (валуни, чакъли, пясъци)
сипещо тяло
5. Основни физични свойства на строителните почви (скали и дисперсни почви) Плътност – Density (англ.) Ако разгледаме къс скала или почва като трифазна система, състояща се от твърда фаза (минералният скелет на скалата), течна фаза (водата, запълваща пукнатините и порите) и газова фаза (газовете в пукнатините и порите), то схематично, единица обем от скалата може да се представи по начина, показан на фигура 9.1.
Фиг. 9.1. Схематично представяне на трите съставни фази в единица обем скала М – маса; G – тегло; V - обем
Обемната плътност - Natural (bulk) density на скалите ρn зависи от минералния състав, газовото и водното съдържание и се определя от зависимостта
ρn =
M V
[g/cm3] където М е общата маса на почвата; V — общият обем.
(9.1)
Обемното тегло (Unit weight) на скалите е:
γ = ρn .g [N/m3]
(9.2) Обикновено плътността на скалите се определя във въздушно сухо състояние. За изчисляване обема на порите в скалите се определя обемната плътност на скелета (на сухата скала) ρd (Dry density) и специфичната плътност ρs (Specific density): 59
Раздел II. Грунтознание
Md [g/cm3] (9.3) Vd M ρ d = d [g/cm3] (9.4) V където Мd е масата на минералите; VD — обемът, зает от минералите. За много скали, особено интрузивни и някои метаморфни (кварцит, гнайс, мрамор), за които обемът на порите обикновено не надхвърля 1%, ρd е близка до ρs. Плътността на скелета се определя обикновено по изчислителен път чрез специфичната плътност и водното съдържание: ρn ρd = (9.5) (1 + 0,01Wn ) Показателите за плътността и обемното тегло се използват за определяне на геоложкия товар, определяне на обема на скалните работи и изчисляване на земния натиск върху подпорни съоръжения. Порестост (Pore volume, Porosity) Порестостта характеризира количественото съотношение между празнините и минералните зърна в скалите и почвите или между празнините и блоковете в масива. В скалите се различават два типа празнини: пори и пукнатини. Порите са междучастичните празнини в скалата. Типични порести скали са механично утаените и някои химично утаени седиментни скали, както и някои вулкански скали, в които порите са мехурчета от газовата фаза, останала затворена в скалите при бързото охлаждане на лавата (риолит, трахит и др.). Микропукнатините имат успоредни стени и ограничена дължина. Двете стени на пукнатините са много близки една до друга, а на места може и да контактуват. Порестостта е съотношението между обема на празнините Vn и обема на скалата V и обикновено се дава в проценти: V (9.6) n = n .100%
ρs =
V
При скалите обемът на празнините се определя чрез измерване масата на водата, навлязла в тези празнини след насищане на скалата с вода. По-лесно това става чрез използване на проби с правилна форма. Така се определя откритата порестост — свързаните една с друга и с околното пространство празнини. При закрита порестост (риолит, трахит, базалт, глини и др.) общата порестост се определя по изчислителен път: ρ − ρd (9.7) n= s ρs
В зависимост от размерите се различават следните видове пори: макропори с размер > 1 mm; микропори (капилярни пори) с размери < 1 mm; субкапилярни (ултракапилярни пори) с размер < 0,1 mm. Порестостта на скалите е сума от две съставки — обема на порите nр и обема на пукнатините nf. Порестостта от порите е по-голяма от порестостта на пукнатините. При п > 1 % се приема п = nр. В седиментните скали при равни други условия порестостта обикновено намалява в дълбочина на масива и с нарастване на възрастта им. Пукнатинната порестост се определя чрез хидростатична компресия, която може да стигне няколко десетки МРа. Често порестостта изразяват чрез коефициента на порите (Void ratio) - е, който представлява отношението на обема на порите към обема, зает само от минералната част от почвата: n e= (9.8) 1− n 60
Раздел II. Грунтознание
Общата порестост п и коефициентът на порите е са свързани чрез зависимостта e n= (9.9) e +1 Водно съдържание (Water content, Moisture content) Скалите, притежаващи незначителна порестост, имат малка влажност (от части от процента до няколко процента). Слабите скали може да имат голяма влажност - до 15 - 20 % и повече. В този случай водното съдържание оказва съществено влияние върху строителните им свойства. Водното съдържание обикновено се дава в проценти и се определя по формулата: M M − Md W= w = % (9.10) Md Md където Мw е масата на водата; М — масата на скалата в естествено състояние; Мd — масата на сухата скала. 6. Специфични физични свойства на скалите Скорост на еластичните вълни Скоростта на разпространение на еластичните вълни (заедно с петрографския състав) характеризират напукаността и изветрялостта на скалите. За най-често срещаните скали v = 5000—7500 m/s. Скоростта на разпространение на еластичните вълни се използва и като показател за анизотропността на скалите чрез изследване на скоростта в различни направления на скалните образци. Електрически свойства на скалите Всички скали притежават способността да провеждат и поглъщат електрически ток. Електропроводимостта отразява способността на скалите да провеждат електрически ток. Показател на електропроводност е относителното електросъпротивление на скалата, което е числено равно на пълното съпротивление (Ώ) на 1 m3 скала, измерено перпендикулярно на стените на куб. Отчита се в Ώ.m. Стойностите на електросъпротивлението на скалите варира в широки граници. На електропроводността на скалите се основава електропроучването (от геофизичните методи на проучване). Водоустойчивост. Това е свойството на скалите да променят якостта и строежа си при намокряне. В зависимост от състава и строежа на скалите водоустойчивостта се характеризира чрез размекване и размиване. Размекването е свойството на скалите с кристализационни или кондензационни връзки да понижават якостта си в спокойна вода. То зависи от минералния състав, якостта на структурните връзки, порестостта, напукаността и други фактори. Критерий за размекването е коефициентът на размекване kp:
kp =
Rнr Rн
(9.11)
където Rнr е якостта на натиск на водонаситен скален образец; Rн — якостта на натиск на сух образец. В зависимост от kp скалите се разделят на: водоустойчиви — kp > 0,8; средноводоустойчиви — kp = 0,7 - 0,8; слабо водоустойчиви — kp = 0,5 - 0,7 и водонеустойчиви — kp < 0,5. Колкото по-малък е kp, толкова по-изветряема и по-малко мразоустойчива е скалата. На размиване (под действието на течаща вода) са податливи масиви, изградени от разтворими скали (варовици, мрамори, гипс, каменна сол).
61
Раздел II. Грунтознание
Влагоемкост Това е способността на скалите да поемат и задържат вода. В сравнение с дисперсните почви скалите са невлагоемки, а слабите скали — слабо и средновлагоемки. Влагоемкостта в слабите скали до голяма степен определя тяхната мразоустойчивост, тъй като съдържащата се в тях вода при замръзване увеличава обема си и предизвиква прогресивно понижаване на якостта им. Влагоемкостта на скалите се характеризира чрез водопоглъщане WП и водонасищане WН. Водопоглъщането е способността на скалите да попиват вода при потапяне във вода при атмосферно налягане и стайна температура. Водонасищането е способността на скалите да поемат максимално количество вода при повишено налягане или под вакуум. Отношението W kН = П (9.12) WH се нарича коефициент на водонасищане и има значение за определяне мразоустойчивостта на скалите. Филтрационни свойства Водопропускливостта (Permeability) на скалите се подчинява на същите закони, както и дисперсните почви. Тя се характеризира чрез коефициент на филтрация Кф или чрез относителното водопоглъщане.
62