Плотины грунтовые и из других местных материалов

Грунт как материал тела плотины

Как упоминалось выше, плотины классифицируют по основному материалу, из которого они устраиваются. При проектировании грунтовых плотин важно знать свойства грунтов и их изменение при приложении к ним нагрузок и тем самым правильно прогнозировать работу сооружения. Поэтому прежде чем перейти к рассмотрению конструкции плотин, в разд. 4.1.1 и 4.1.2 мы изложили классификацию и некоторые основные свойства грунтов.

Классификация грунтов

Природа породила бесконечное разнообразие грунтов. Для того чтобы в них разобраться, их нужно классифицировать. Первая классификация (для грунтов, применяющихся в строительстве) обусловлена существованием среди массы пород двух больших групп:

• • грунты с жесткими структурными связями — класс скальных грунтов (прочные грунты);
• • грунты без жестких структурных связей — класс нескальных грунтов (скопления минеральных частиц без связей, образовавшиеся из-за физического выветривания).

Жесткие связи в скальных грунтах обеспечивают монолитность — положительное качество для оснований гидротехнических сооружений, поскольку сооружения, возведенные на таких грунтах, дают незначительную осадку.

Вторая классификация выделяет генетические типы, т. е. происхождение грунтов. Эта классификация важна, поскольку в некоторых случаях генезис и возраст породы позволяют судить о ее современных свойствах, которые невозможно полноценно оценить без учета истории грунтов. На каждом этапе процесса изменения порода может приобретать определенные свойства. Так, скальные грунты могут быть:

• магматическими, самыми прочными грунтами (если скальные грунты образовались путем застывания огненного расплава, называемого магмой);

• • метаморфическими (если расплавленная огненная масса «застряла» на какой-то глубине, не пробившись к поверхности, и под действием высокого давления и температуры, достигающей 900— 1000 °С, вещество изменялось);
• • осадочными (их рождение связано с деятельностью организмов и химическими процессами, протекающими в различных водоемах).

Образовавшиеся скальные магматические породы на земной поверхности начинают «стариться» (разрушаться) под действием воды, температурных колебаний, корней растений и др. Частицы бывших скальных пород попадают в речные потоки, постепенно накапливаются, образуя пласты. К ним также добавляются новообразованные минералы — результат деятельности животных, растений и химических процессов. Так происходит рождение новых пород — грунтов: песков, глин, суглинков (осадочные грунты без жестких связей).

Таким образом, вторая классификация выделяет среди скальных грунтов с жесткими связями магматические, метаморфические и осадочные породы.

Рыхлые грунты (без жестких связей) подразделяются на осадочные грунты и почвы. Поскольку осадочные грунты могут образовываться в разных условиях, их также подразделяют по генетическому происхождению. Такие рыхлые грунты могут быть морскими (образовавшимися в море), речными (аллювиальными), эоловыми (образованными действием ветра), моренными (результат деятельности ледников и талых вод).

Третья классификация обломочных (рыхлых) грунтов вводится по характеру связей между частицами:

• • несвязные (пески, галечники, гравий);
• • связные со слабыми связями (глинистые, лёссовые).

Твердые (минеральные) частицы, из которых состоят грунты,

могут иметь размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это и порождает большое разнообразие видов грунтов. Так, если частицы имеют размеры более 200 мм, то их называют валунами (если форма окатанная) или глыбами (если форма угловатая). Частицы с размерами от 20 до 200 мм называют галькой (если форма окатанная) или щебнем (если форма угловатая). Частицы с размерами от 2 до 20 мм называют гравием (если форма окатанная) или дресвой (если форма угловатая). Песчаные фракции могут иметь размеры от 0,05 мм (пылеватые пески) до 2 мм (крупные пески). Глинистые фракции имеют размеры частиц менее 0,002 мм. Форма твердых частиц грунта также существенно влияет на его свойства. Глинистые частицы имеют в основном пластинчатую и игольчатую формы. Это увеличивает удельную поверхность частиц и способствует сжимаемости глинистых грунтов. Форма песчаных и более крупных частиц может быть окатанной (близкой по форме к шару) или неокатанной (угловатой и пластинчатой).

Очевидно, что тот или иной грунт состоит из различных частиц. Наименование грунта позволяет определить четвертая классификация, которая разделяет рыхлые грунты по содержанию частиц разных размеров (табл. 4.1):

• • пески (мелко-, средне- и крупнозернистые);
• • супеси;
• • суглинки (легкие, средние и тяжелые);
• • глины.

Таблица 4.1

Классификация грунтов (строительная) по содержанию частиц разных размеров

Иными словами, например, песком называется такой грунт, в котором частиц размерами 0,002 мм меньше, чем 3 %.

Все вышеописанные классификации грунтов обобщены и представлены на рис. 4.1.

Нескальные грунты представляют собой совокупность твердых частиц, пространство между которыми может быть полностью или частично заполнено водой, и которую можно представить в виде системы из трех основных частей:

• • минеральная часть, образующая грунтовый скелет (твердая часть);
• • вода, частично или полностью заполняющая поры грунта (жидкая часть);
• • воздух, заполняющий поры грунтового скелета (газообразная часть).

Пространство между минеральными частицами, заполненное водой, газом или паром, называют порами (рис. 4.2).

Свойства грунта определяются количественным соотношением отдельных фаз и особенностью взаимодействия их с другими фазами. Свойства песчаных грунтов не изменяются при переходе от однофазной к многофазной системе. На глинистые грунты этот переход существенно влияет: они из твердого состояния переходят в пластичное. Так, с увеличением содержания влаги глинистый грунт переходит из одного состояния (консистенции) в другое. Если влаги мало, то глина будет сухой и твердой. Если продолжить увеличение влажности до некоторой границы (границы текучести), то глина потеряет свою прочность и в таком текучем состоянии будет непригодна для целей строительства. Данный пример приведен для необходимости понимания свойств грунтов при проектировании грунтовых плотин.

Рис. 4.1. Классификация грунтов

Рис. 4.2. Модель грунта:

• 1 — минеральные частицы (твердая часть); 2 — структурные связи между минеральными частицами; 3 — поры, заполненные газом или паром;
• 4 — поры, заполненные водой и растворенным в воде газом