Виды грунтов и их характеристики

Физические свойства грунтов, лежащих в основании, исследуют с точки зрения их способности нести нагрузку дома через его фундамент.

Физические свойства грунта меняются в зависимости от внешней среды. На них влияет: влажность, температура, плотность, неоднородность и многое другое, поэтому для оценки технической пригодности грунтов будем исследовать их свойства, которые неизменны и которые могут меняются при изменении внешней среды:

• связанность (сцепление) между частицами грунта;
• размер, форма частиц и их физические свойства;
• однородность состава, наличие примесей и их воздействие на грунт;
• коэффициент трения одной части грунта о другую (сдвиг пластов грунта);
• водопроницаемость (водопоглощение) и изменение несущей способности при изменении влажности грунта;
• водоудерживающая способность грунта;
• размываемость и растворимость в воде;
• пластичность, сжимаемость, разрыхляемость и т. д.

Грунты: типы и свойства

Классы грунтов

Грунты разделяют на три класса: скальные, дисперсионные и мерзлые (ГОСТ 25100-2011).

• Скальные грунты - магматические, метаморфические, осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные и техногенные породы обладающие жесткими кристаллизационными и цементационными структурными связями.
• Дисперсионные грунты - осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные и техногенные породы с водноколлоидными и механическими структурными связями. Эти грунты делятся на связные и несвязные (сыпучие). Класс дисперсионных грунтов подразделяют на группы:
  • минеральные - крупнообломочные, мелкообломочные, пылеватые, глинистые грунты;
  • органоминеральные - заторфованные пески, илы, сапропели, заторфованные глины;
  • органические - торфы, сапропели.
• Мерзлые грунты - это те же скальные и дисперсионные грунты, дополнительно обладающие криогенными (ледяными) связями. Грунты в которых присутствуют только криогенные связи называются ледяными.

По строению и составу грунты разделяют на:

• скальные;
• крупнообломочные;
• песчаные;
• глинистые (в том числе лессовидные суглинки).

В основном встречаются разновидности песчаных и глинистых разновидностей, которые весьма разнообразны как по крупности частиц, так и по физико-механическим свойствам.

По степени залегания грунты делятся на:

• верхние слои;
• средней глубины залегания;
• глубокого залегания.

В зависимости от типа грунта основание может быть расположено в разных слоях грунта.

Верхние слои грунта подвергаются атмосферному воздействию (намокание и высыхание, выветривание, замерзание и оттаивание). Такое воздействие изменяет состояние грунта, его физические свойства и уменьшает противодействие нагрузкам. Исключением являются только скальные грунты и конгломераты.

Поэтому основание дома необходимо располагать на глубине с достаточными несущими характеристиками грунта.

Классификация грунтов по размеру частиц определена ГОСТом 12536

* Названия крупных обломков с обкатанными гранями.

Измеряемые характеристики грунтов

Для вычисления несущих характеристик грунта нам нужны измеряемые характеристики грунта. Вот некоторые из них.

Удельный вес грунта

Удельным весом грунта γ называется вес единицы объема грунта, измеряется в кН/м³.

Удельный вес грунта вычисляется через его плотность:

γ = g·ρ

ρ ‑ плотность грунта, т/м³;
g ‑ ускорение свободного падения, принимаемое равным 9,81 м/с².

Плотность сухого (скелета) грунта

Плотность сухого (скелета) грунта ρ_d ‑ природная плотность за вычитанием массы воды в порах, г/см³ или т/м³.

Устанавливается расчетом:

где W ‑ природная (естественная) весовая влажность грунта, %;
ρ ‑ природная (естественная) весовая плотность грунта, г/см³ (т/м³)

Коэффициент пористости грунта

Коэффициент пористости - это отношение объема пустот к объему твердых частиц в долях единицы. Устанавливается расчётом:

где ρ_s и ρ_d - соответственно плотность частиц и плотность сухого (скелета) грунта, г/см³ (т/м³).

Принимаемая плотность частиц ρ_s (г/см³) для грунтов

Коэффициент пористости е, для песчаных грунтов разной плотности

Степени влажности грунта

Степень влажности грунта S_r - отношение естественной (природной) влажности грунта W к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха):

где ρ_s - плотность частиц грунта (плотность скелета грунта), г/см³ (т/м³);
е - коэффициент пористости грунта;
ρ_w - плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³ (т/м³);
W - природная влажность грунта, выраженная в долях единицы.

Грунты по степени влажности

Пластичность грунта

Пластичность грунта - его способность деформироваться под действием внешнего давления без разрыва сплошности массы и сохранять приданную форму после прекращения деформирующего усилия.

Для установления способности грунта принимать пластичное состояние определяют влажность, характеризующую границы пластичного состояния грунта текучести и раскатывания.

Граница текучести W_L характеризует влажность, при которой грунт из пластичного состояния переходит в полужидкое - текучее. При этой влажности связь между частицами нарушается благодаря наличию свободной воды, вследствие чего частицы грунта легко смещаются и разъединяются. В результате этого сцепление между частицами становится незначительным и грунт теряет свою устойчивость.

Граница раскатывания W_P соответствует влажности, при которой грунт находится на границе перехода из твердого состояния в пластичное. При дальнейшем увеличении влажности (W > W_P) грунт становится пластичным и начинает терять свою устойчивость под нагрузкой. Границу текучести и границу раскатывания называют также верхним и нижним пределами пластичности.

Определив влажность на границе текучести и границе раскатывания, вычисляют число пластичности грунта I_Р. Число пластичности представляет собой интервал влажности, в пределах которого грунт находится в пластичном состоянии, и определяется как разность между границей текучести и границей раскатывания грунта:

I_Р = W_L - W_P

Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт. Минеральный и зерновой составы грунта, форма частиц и содержание глинистых минералов существенно влияют на границы пластичности и число пластичности.

Деление грунтов по числу пластичности и процентному содержанию песчаных частиц приведено в таблице.

Текучесть глинистых грунтов

Показать текучести I_L выражается в долях единицы и используется для оценки состояния (консистенции) пылевато-глинистых грунтов.

Определяется расчетом из формулы:

где W - природная (естественная) влажность грунта;
W_p - влажность на границе пластичности, в долях единицы;
I_p - число пластичности.

Показатель текучести для грунтов разной плотности

Скальные грунты

Скальные грунты - монолитные породы или в виде трещиноватого слоя с жесткими структурными связями, залегающие в виде сплошного массива или разделенные трещинами. К ним относятся магматические (граниты, диориты и др.), метаморфические (гнейсы, кварциты, сланцы и др.), осадочные сцементированные (песчаники, конгломераты и др.) и искусственные.

Они хорошо держат нагрузку на сжатие даже в водонасыщенном состоянии и при отрицательных температурах, а также не растворимы и не размягчаются в воде.

Являются хорошим основанием для фундаментов. Единственная сложность - это разработка скального грунта. Фундамент можно возводить непосредственно на поверхности такого грунта, без какого-либо вскрытия или заглубления.

Крупнообломочные грунты

Крупнообломочные - несвязные обломки скальных пород с преобладанием обломков размером более 2 мм (свыше 50%).

По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты подразделяют на:

• валунный d>200 мм (при преобладании неокатанных частиц - глыбовый),
• галечниковый d>10 мм (при неокатанных гранях -щебенистый)
• гравийный d>2 мм (при неокатанных гранях - дресвяный). К ним можно отнести гравий, щебень, гальку, дресву.

Эти грунты являются хорошим основанием, если под ними расположен плотный слой. Они сжимаются незначительно и являются надежными основаниями.

При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40% или глинистого заполнителя более 30% от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляют наименование вида заполнителя, и указывают характеристики его состояния. Вид заполнителя устанавливают после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Если обломочный материал представлен ракушкой в количестве ≥ 50%, грунт называют ракушечным, если от 30 до 50% - к наименованию грунта прибавляют с ракушкой.

Крупнообломочный грунт может быть пучинистым, если мелкая составляющая - пылеватый песок или глина.

Конгломераты

Конгломераты - крупнообломочные породы, группа скалистых разрушенных, состоящих из отдельных камней разной фракции, содержащие более 50% обломков кристаллических или осадочных пород, не связанных между собой или же сцементированных посторонними примесями.

Как правило, несущая способность таких грунтов достаточно высокая и способна выдержать вес дома в несколько этажей.

Хрящеватые грунты

Хрящеватые грунты - это смесь глины, песка, обломков камней, щебня и гравия. Они плохо размываются водой, не подвержены вспучиванию и вполне надежны.

Они не сжимаются и не размываются. В этом случае рекомендуется закладка фундамента с заглублением, как минимум, в 0,5 метра.

Дисперсионные грунты

Минеральный дисперсионный грунт состоит из геологических элементов различного происхождения и определяется по физико-химическим свойствам и геометрическим размерам частиц его составляющим.

Песчаные грунты

Песчаные грунты - продукт разрушения горных пород, представляют собой сыпучую смесь зерен кварца и других минералов, образовавшихся в результате выветривания горных пород с размерами частиц от 0,1 до 2 мм, содержащие глины не более 3%.

Песчанные грунты по крупности частиц могут быть:

• гравелистые (25% частиц крупнее 2 мм);
• крупные (50% частиц по весу крупнее 0,5 мм);
• средней крупности (50% частиц по весу крупнее 0,25 мм);
• мелкие (размеры частиц - 0,1-0,25 мм)
• пылеватые (размеры частиц 0,005-0,05 мм). Они близки по своим проявлениям к глинистым грунтам.

По плотности подразделяются на:

• плотные;
• средней плотности;
• рыхлые.

Чем выше плотность, тем прочнее грунт.

Физические свойства:

• высокая сыпучесть, поскольку сцепления между отдельными зернами нет.
• легко разрабатываются;
• хорошая водопроницаемость, хорошо пропускают воду;
• не меняются в объеме при разном уровне водопоглощении;
• промерзают незначительно, не пучинистые;
• при нагрузках имеют свойство сильно уплотняться и проседать, но в довольно сжатые сроки;
• не пластичны;
• легко утрамбовываются.

Сухой чистый (в особенности крупный) кварцевый песок может выдержать большие нагрузки. Чем крупнее и чище пески, тем большую нагрузку может выдержать слой основания из него. Гравелистые, крупные и средней крупности пески значительно уплотняются под нагрузкой, незначительно промерзают.

Если пески залегают равномерно с достаточной плотностью и мощностью слоя, то такой грунт являются хорошей основой для фундамента и чем крупнее песок, тем большую нагрузку он может воспринимать. Рекомендуется закладка фундамента на глубине от 40 до 70 см.

Мелкий песок, разжиженный водой, особенно с примесями глины и ила, в качестве основания ненадежен. Пылеватые пески (размер частиц от 0,005 до 0,05 мм) слабо держат нагрузку, как основание требуют укрепление.

Супеси

Супеси - грунты, в которых глинистые частицы размером менее 0,005 мм содержатся в пределах от 5 до 10%.

Плывуны

Плывуны - это супеси по свойствам близки к пылеватым пескам, содержащие большое количество пылеватых и очень мелких глинистых частиц. При достаточном водопоглощении пылеватые частицы начинаю играть роль смазки между крупными частицами и некоторые разновидности супесей становятся настолько подвижными, что текут, как жидкость.

Различают плывуны истинные и псевдоплывуны.

Истинные плывуны характеризуются присутствием пылевато-глинистых и коллоидных частиц, большой пористостью (> 40%), низкими водоотдачей и коэффициентом фильтрации, особенностью к тиксотропным превращениям, оплыванием при влажности 6 - 9% и переходом в текучее состояние при 15 - 17%.

Псевдоплывуны - пески, не содержащие тонких глинистых частиц, полностью водонасыщенные, легко отдающие воду, водопроницаемые, переходящие в плывунное состояние при определенном гидравлическом градиенте.

Плывуны практически непригодны для использования в качестве оснований фундаментов.

Глинистые грунты

Глины - горные породы, состоящие из чрезвычайно мелких частиц (менее 0,005, мм), с небольшой примесью мелких песчаных частиц. Глинистые грунты образовались в результате физико-химических процессов, происходивших при разрушении горных пород. Характерным свойством их является сцепление мельчайших частиц грунта между собой.

Физические свойства:

• низкие водопропускные свойства, поэтому всегда содержат воду (от 3 до 60%, обычно 12-20%).
• увеличиваются в объеме при намокании и уменьшаются при высыхании;
• в зависимости от влажности обладают значительной связанностью частиц;
• сжимаемость глины высокая, уплотнение под нагрузкой низкое.
• пластичны только в пределах определенной влажности; при меньшей влажности они становятся полутвердыми или твердыми, при большей - из пластичного состояния переходят в текучее;
• размываются водой;
• пучинистость.

По поглощенной воде глины и суглинки подразделяют на:

• твердые,
• полутвердые,
• тугопластичные,
• мягкопластичные,
• текучепластичные,
• текучие.

Осадка зданий на глинистых грунтах, продолжается более длительное время, чем на песчаной почве. Глинистые грунты с песчаными прослойками легко разжижаются и поэтому обладают небольшой несущей способностью.

Сухие, плотно слежавшиеся глинистые грунты с большой мощностью слоя выдерживают значительные нагрузки от сооружений, если под ними находятся устойчивые подстилающие слои.

Глина, слежавшаяся в течение многих лет, считается хорошим основанием для фундамента дома.

Но такое такая глина встречается редко, т.к. в природном состоянии практически никогда не бывает сухой. Капиллярный эффект, присутствующий в грунтах с мелкой структурой, приводит к тому, что глина практически всегда находится во влажном состоянии. Так же влага может проникать через песчаные примеси в глине, поэтому влагопоглощение у глины происходит неравномерно.

Неоднородность влажности при замерзании грунта приводит к неравномерной пучинистости при отрицательных температурах, что может привести к деформации фундамента.

Пучинистыми могут быть все виды глинистых грунтов, а также пылеватые и мелкие пески.

Глинистые грунты - самые непредсказуемые для строительства.

Они могут размываться, разбухать, сжиматься, при замерзании вспучиваться. Фундаменты на таких грунтах строят ниже отметки промерзания.

При наличии лессовых и илистых грунтов необходимо принять меры к укреплению основания.

Макропористые глины

Глинистые грунты, обладающие в природном сложении видимыми невооруженным глазом порами, значительно превышающими скелет грунта, называют макропористыми. К макропористым грунтам относят лёссовые (более 50 % пылевидных частиц), наиболее распространенные на юге РФ и Дальнем Востоке. При наличии влаги лёссовидные грунты теряют устойчивость и размокают.

Суглинки

Суглинки - грунты, в которых глинистые частицы размером менее 0,005 мм содержатся в пределах от 10 до 30%.

По своим свойствам они занимают промежуточное положение между глиной и песком. В зависимости от процентного содержания глины суглинки могут быть легкими, средними и тяжелыми.

Лёсс

Такой грунт как лёсс относится к группе суглинков, содержит значительное количество пылеватых частиц (0,005 - 0,05 мм) и водорастворимые известняки и др., очень пористый и при намокании сжимается. При замерзании вспучивается.

В сухом состоянии такие грунты обладают значительной прочностью, но при увлажнении их грунт размягчается и резко уплотняется. В результате происходят значительные осадки, сильные перекосы и даже разрушения возведенных на нем сооружений, в особенности из кирпича.

Таким образом, для того чтобы лессовидные грунты служили надежным основанием для сооружений, нужно полностью устранить возможность их замачивания. Для этого необходимо тщательно изучить режим грунтовых вод и горизонты их высшего и низшего стояния.

Ил (илистые грунты)

Ил - образовавшиеся в начальной стадии своего формирования в виде структурных осадков в воде, при наличии микробиологических процессов. Большей частью такие грунты располагаются в местах торфоразработок, болотистых и заболоченных местах.

Ил - илистые грунты, водонасыщенный современный осадок преимущественно морских акваторий, содержащий органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса, содержание частиц меньше 0,01 мм составляет 30-50% по массе.

Свойства илистых грунтов:

• Cильная деформируемость и высокая сжимаемость и как следствие - ничтожное сопроивление к нагрузкам и непригодность их использования в качестве естественного основания.
• Значительное влияние структурных связей на механические свойства.
• Незначительное сопротивление сил трения, что затрудняет применение в них свайных фундаментов;
• Органические (гуминовые) кислоты в иле, действуют разрушающе на бетон сооружений и фундамента.

Самым существенным явлением, возникающим в илистых грунтах под действием внешней нагрузки, как указывалось выше, является разрушение их структурных связей. Структурные связи в илах начинают разрушаться при относительно незначительных нагрузках, однако лишь при некоторой, вполне определенной для данного илистого грунта величине внешнего давления происходит лавинное (массовое) нарушение структурных связей, причем прочность илистого грунта резко снижается. Эта величина внешнего давления носит название "структурной прочности грунта". Если давление на илистый грунт меньше структурной прочности, то свойства его близки к свойствам твердого тела малой прочности, причем, как показывают соответствующие опыты, ни сжимаемость ила, ни его сопротивление сдвигу практически не зависят от природной влажности. При этом угол внутреннего трения илистого грунта мал, а сцепление имеет вполне определенную величину.

Последовательность возведения фундаментов на илистых грунтах:

• Производится "выемка" этих грунтов, и замещают послойно песчаным грунтом;
• Отсыпают каменную/щебеночную подушку, ее мощность определяется расчетом, необходимо, чтобы на поверхность илистого грунта от сооружения и подушки приходилось давление неопасное для илистого грунта;
• После этого возводится сооружение.

Сапропель

Сапропель - пресноводный ил, образовавшийся на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов и содержащий более 10% (по массе) органического вещества в виде гумуса и растительных остатков.

Сапропель имеет пористую структуру и, как правило, текучую консистенцию, высокую дисперсность - содержание частиц крупнее 0,25 мм обычно не превышает 5% по массе.

Торф

Торф - органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50% (по массе) и более органических веществ.

В их состав входит большое количество растительных осадков. По количеству их содержания различают:

• слабозаторфованные грунты (относительное содержание растительных осадков - менее 0,25);
• среднезаторфованные (от 0,25 до 0,4);
• сильнозаторфованные (от 0,4 до 0,6) и торфы (свыше 0,6).

Торфяники обычно сильно увлажнены, отличаются сильной неравномерной сжимаемостью и практически непригодны как основание. Чаще всего их заменяют на более пригодные основания, например, песчаные.

Заторфованный грунт

Грунт заторфованный - песок и глинистый грунт, содержащий от 10 до 50% (по массе) торфа.

Влажность грунта

Из-за капиллярного эффекта грунты с мелкой структурой (глина, пылеватые пески) находятся во влажном состоянии даже при низком уровне грунтовых вод.

Поднятие воды может достигать:

• в суглинках 4 - 5 м;
• в супесях 1 - 1,5 м;
• в пылеватых песках 0,5 - 1 м.

Условия для слабопучинистого грунта

Относительно безопасные условия, чтобы грунт считался слабопучинистым, когда подземная вода расположена ниже расчетной глубины промерзания:

• в пылеватых песках на 0,5 м;
• в супесях на 1 м;
• в суглинках на 1,5 м;
• в глинах на 2 м.

Условия для среднепучинистого грунта

Грунт можно отнести к категории среднепучинистой, когда подземная вода расположена ниже расчетной глубины промерзания:

• в супесях на 0,5 м;
• в суглинках на 1 м;
• в глинах на 1,5 м.

Условия для сильнопучинистого грунта

Грунт будет сильнопучинистый, если уровень грунтовых вод будет выше, чем для среднепучинистых грунтов.

Определение типа грунта на глаз

Даже далекий от геологии человек, сможет отличить глину от песка. Но определить на глаз долю глины и песка в грунте уже не каждый сможет. Какой грунт перед вами суглинок или супесь? И каков процент чистой глины и ила в таком грунте?

Для начала обследуйте соседние жилые участки. Опыт создания фундамента соседей может дать полезную информацию. Покосившиеся заборы, деформации фундаментов при неглубоком их заложении и трещины в стенах таких домов говорят о пучинистых грунтах.

Потом нужно взять пробу грунта со своего участка, желательно ближе к месту будущего дома. Некоторые советуют сделать ямку, но узкую ямку глубокой не выроешь, да и что с ней потом делать?

Я предлагаю простой и очевидный вариант. Начните своё строительство с выкапывания ямы под септик.

У вас получится колодец с достаточной глубиной (не менее 3 метров, можно больше) и шириной (не менее 1 метра), который дает кучу преимуществ:

• простор для взятия проб грунта с разной глубины;
• визуальный осмотр сечения грунта;
• возможность проверки грунта на прочность не вынимая грунт, в том числе и боковых стенок;
• яму вам обратно закапывать не нужно.

Только установите в колодец в ближайшее время бетонные кольца, чтобы колодец не осыпался от дождей.

Определение грунта по внешнему виду

Состояние сухой породы

Состояние влажной породы

Метод осветления воды

Метод определения типа грунта по скорости осветления воды за 1 минуту в пробирке (или стакане), в которую помещают щепотку почвы.

Тип фундамента от грунта

• Торф - свайный фундамент.
• Пылевые пески, тягучие глины - заглубленный фундамент с гидроизоляцией.
• Мелкие и средние пески, твердые глины - фундамент неглубокого заложения.
• Во влажных грунтах (глина, суглинок, супесь или пылеватый песок) глубина заложения фундамента - больше расчетной глубины промерзания.