Ґрунти як матеріал для земляного полотна
Для спорудження земляного полотна використовуються практично всі види ґрунтів. Деякі ґрунти (крейда, чорнозем, леси, торф та інші) застосовуються з деякими обмеженнями.
Розрізняють три класи ґрунтів:
- ґрунти з пластичним зв’язком між зернами ─ глинисті;
- ґрунти без зв’язку між зернами ─ крупноуламкові, щебенисті, піщані;
- ґрунти з жорстким зв’язком між зернами ─ скельні і напівскельні.
Ґрунти є складними дисперсними тілами, що мають тверду, рідку і газову складові. Від співвідношення цих складових залежать основні характеристики ґрунтів.
Прийняті такі позначення:
W ─ вологість ґрунту;
Wт ─ межа текучості;
Wр ─ межа розкочування;
Wп ─ число пластичності;
ρs, rs ─ щільність і питома вага скелету ґрунту;
ρd, rd ─ щільність і питома вага сухого ґрунту;
ρ, r ─ щільність і питома вага вологого ґрунту;
n ─ пористість;
e ─ коефіцієнт пористості;
B ─ коефіцієнт консистенції;
Кф ─ коефіцієнт фільтрації;
С ─ зчеплення між частками ґрунту;
φ ─ кут внутрішнього тертя;
Q, m,V ─ відповідно загальна вага, маса і об’єм ґрунту;
Vп ─ загальний об’єм пор в ґрунті;
Qs, ms,Vs ─ відповідно загальна вага, маса і об’єм скелету ґрунту.
Основні технічні характеристики ґрунтів можна виразити кількісно залежністю цих величин.
Питома вага ґрунту і його щільність визначаються за формулами:
r = Q/V; ρ = m/V; (1)
Питома вага і щільність скелету ґрунту:
rs = Qs/Vs; ρs = ms/Vs; (2)
Питома вага і щільність сухого ґрунту:
rd = rs/1+l; ρd = ρs/1+l; (3)
Питома вага і щільність вологого ґрунту:
r = rd(1+W); ρ = ρd(1+W); (4)
Пористість ґрунту є важливою характеристикою ґрунту і виражається в процентах:
n = Vп/Vs ·100; (5)
Частіше пористість ґрунту оцінюють коефіцієнтом пористості:
e = Vп/Vs (6)
Оцінку спроможності ґрунту пропускати воду дають за величиною коефіцієнта фільтрації, тобто швидкості фільтрації води через ґрунт.
Головними розрахунковими характеристиками ґрунтів, що використовуються при проектуванні земляного полотна є їх питома вага, кут внутрішнього тертя, питоме зчеплення. Їх використовують в розрахунках стабільності, тобто міцності і стійкості.
Значення характеристик ґрунтів не залишаються постійними для одного і того ж ґрунту. Вони змінюються в залежності від вологості ґрунту і його структури, температури і інших чинників. Тому при проектуванні земляного полотна слід передбачати споруди і пристрої, які захищають ґрунт від небезпечних впливів.
Діюча Класифікація ґрунтів базується на їх гранулометричному складі і характеристиках в природному стані (табл. 1.2).
Глинисті ґрунти представляють собою скупчення часток, що є продуктами хімічного вивітрювання гірських порід. Вони мають форму пластинок малих розмірів ( до 0.005 мм) і з’єднані між собою колоїдальними зв’язками, які при зволоженні ґрунту водою різко змінюють його властивості і характеристики.
Велика величина питомої площі поверхні глинистих ґрунтів сприяє утриманню значної кількості води і утворенню пучин при її замерзанні. Глинисті ґрунти характеризуються малими у порівнянні з піщаними коефіцієнтами фільтрації і великими коефіцієнтами пористості.
Крупноуламкові і піщані ґрунти складаються з твердих часток, що є продуктами фізичного вивітрювання гірських порід. Ці ґрунти не мають зчеплення. Вони мають високий коефіцієнт фільтрації, майже не змінюють своїх характеристик при зволоженні і є найкращим матеріалом для основи і тіла земляного полотна.
Розрахункові характеристики щебеню і гравію наведені в табл., а піщаних і глинистих в табл..
До скельних ґрунтів відносять вивержені, метаморфічні і осадочні породи з жорсткими зв’язками між зернами, що залягають у виді суцільного масиву або тріщинуватого шару. Вони поділяються на види в залежності від міцності на стискання в насиченому водою стані, розчинності і розм’якшуваності у воді. До скельних відносяться ґрунти з межею міцності 5МПа і більше в насиченому водою стані (граніт, базальт, доломіт).
До напівскельних ґрунтів відносять породи з межею міцності менше 5 МПа в насиченому водою стані (доломіт) або не менше 5 МПа, але розчинні чи розм’якшувані у воді (гіпс).
До ґрунтів, що потребують обмежень і додаткових вимог при зведенні земляного полотна, відносяться леси, крейда, засолені ґрунти і ґрунти з органічними домішками.
Леси складаються із найдрібніших зерен кварцу (від 27 до 90%), глинистих часток (від 4 до 20%) і вуглекислого та сірчанокислого кальцію (від 6 до 20%) з домішками інших мінералів. Леси мають високу пористість, однорідний гранулометричний склад, відсутнє розшарування. В природному стані леси мають невисоку вологість, значну міцність і здатні протягом значного часу утримувати майже вертикальні укоси. Вода легко проникає в товщу лесового ґрунту і легко розмиває його з поверхні. Із збільшенням вологості міцність ґрунту зменшується.
Ґрунти, що відрізняються від лесових за якимось ознаками, наприклад домішками піску, вапна і т. д., називають лесовидними. Їх властивості близькі до лесових ґрунтів.
Крейда ─ порода осадочного походження, дуже неоднорідна за гранулометричним складом, з пористістю біля 48%. При насиченні водою крейда швидко розмокає і втрачає міцність, в укосах сильно вивітрюється.
Засолені ґрунти різко знижують міцність при зволоженні і застосовуються з обмеженнями. До засолених ґрунтів відносять супіски і піски просадочні при наявності 1% легко- і середньорозчинних солей або 0.3% легкорозчинних (солі соляної, вугільної і сірчаної кислот) і супіски і піски непросадочні при наявності 5% легко- і середньорозчинних солей (гіпс).
До ґрунтів з органічними домішками відносять чорнозем, торф і мул.
Чорнозем складається з великої кількості гумусу, пилуватих і глинистих часток. При зволоженні набухає і перетворюється в липку і пластичну масу, значно знижує міцність.
Торф ─ це порода, що на 60% складається з рослинних решток. Відзначається великою вологістю (до 1000%), під навантаженням просідає, в сухому стані займистий.
Мул ─ це неущільнені озерні і морські відкладення з коефіцієнтом пористості 1.0 – 3.7. Для них характерні раптові втрати міцності при порушенні природних структурних зв’язків, сильне стискання, просадки.