Общая классификация грунтов

Представления о классифицировании грунтов существенно изменялись во времени по мере накопления сведений об их составе, свойствах, структуре, особенностях поведения при различных взаимодействиях. Одними из первых являются классификации грунтов оснований сооружений Витрувия (I в. до н. э.) и А. Палладио (1570). Известны классификации М. С. Волкова (1840), Ф. П. Саваренского (1937), Н. Н. Маслова (1941, 1982), Е. М. Сергеева, В. А. Приклонского, П. Н. Панюкова и Л. Д. Белого (1957), В. Д. Ломтадзе (1970, 1984), Г. К. Бондарика (1981) и др.

В I в. до н. э. архитектор Витрувий предлагал при строительстве зданий разделить основания, сложенные материковыми (коренными), наносными и болотистыми грунтами [52].

Спустя полторы тысячи лет А. Палладио более подробно рассмотрел и даже классифицировал грунты оснований сооружений. Он выделял «природные фундаменты» — камни, туф, твердую почву, фавий, песок, разрыхленную землю, землю мягкую (глинистую — авт.) и болотистую. Палладио предложил и первые специальные методы оценки грунтов оснований сооружений. Можно отметить близость структуры и содержания одной из первых инженерно-геологических классификаций грунтов — классификации пород (грунтов) Ф. П. Саваренского (1937), выделяющего на уровне групп породы скальные, полу;

скальные, мягкие связные, рыхлые несвязные и, наконец, мягкие и рыхлые породы особого свойства или состояния.

Классификация Ф. П. Саваренского в неявном виде содержит две части. В первой части на нервом, втором и третьем уровнях разделения классифицируются горные породы. Выделяются 5 основных групп пород, классы и подклассы.

Группа А. Твердые компактные «скальные» породы, практически не сжимаемые. Сюда входят магматические, метаморфические и прочносцементированные осадочные породы.

Группа В. Отдельно твердые и компактные породы «полускальные». Слабосжимаемые — выветрелые, трещиноватые породы группы А, а также слабоцементированные и растворимые в воде осадочные породы.

Группа С. Мягкие пластичные связные глинистые породы. Практически водонепроницаемые. Прочность зависит от степени увлажнения.

Группа D. Рыхлые несвязные породы, хорошо водопроницаемые (пески, галечники, гравий).

Группа Е. Мягкие рыхлые породы особого состава и состояния (торф, насыпные грунты, илы).

При характеристике таксономических единиц приведены данные о свойствах, которые можно использовать при инженерно-геологической оценке. Во второй части классификации рассмотрены свойства грунтов, выявляющиеся при взаимодействии твердой и жидкой фаз и при внешних взаимодействиях.

В.Д. Ломтадзе, дополнивший классификацию Ф. П. Саваренского, четко выделил две части классификации: в первой части классифицируются горные породы, а во второй — грунты.

В классификации Н. Н. Маслова также можно выделить две части. Первая часть предусматривает практически такое же разделение пород, как и в классификации Ф. П. Саваренского, затем выделяются подмножества пород (классы) по гидростойкости и перечисляются группы пород. Во второй части классификации содержится разделение пород по свойствам, характеризующим уже не горную породу, а фазовую систему, грунт. Разделение учитывает характер взаимодействия грунта с сооружением, при нагрузке, при неравномерной осадке, при сдвиге, фильтрации и т. д.

Наиболее распространена общая инженерно-геологическая классификация, разработанная Е. М. Сергеевым, В. А. Приклонским, И. И. Панюковым и Л. Д. Белым и принятая в 1957 г. совещанием по инженерно-геологическим свойствам горных пород. В классификации выделены 3 класса пород по характеру связей между частицами: I класс — породы с жесткими связями; II класс — породы без жестких связей; III класс — искусственные грунты. В свою очередь, породы I класса делятся на три группы: магматические, метаморфические и осадочные, II класса — на осадочные и почвы. Дальнейшее деление пород производится по литолого-минералогическому составу и состоянию пород.

Все перечисленные классификации предусматривают выделение пяти групп (классов) пород: скальных, полускальных, рыхлых, связных и пород особого состава, состояния и свойств (слабых). Эти классификации нельзя считать генетическими, так как группы объединяют породы разного происхождения. Их преимущество в том, что группы пород сопоставлены с их свойствами, охарактеризованными количественно, и указано, какие процессы следует ожидать при взаимодействии с сооружениями. Недостатком классификаций следует считать смешение признаков-оснований, одни из которых относятся к горным породам, а другие — к грунтам (фазовым системам). Следствием смешения признаков-оснований является нечеткость отражения объекта в классификации [50].

Классификации грунтов, принятые в странах западной Европы и США, основаны на тех же принципах, что и в России. Используются те же или близкие наборы признаков и в основном аналогичные или близкие по сути методы их определения. Редко методы анализа отличаются полностью, например при определении влажности на границе текучести или усадки. По числу таксономических единиц вес они упрошены и, как правило, ограничиваются выделением двух-трех уровней. Кроме того, они дополняются значительным числом частных классификаций, рассчитанных на решение частных задач, а также имеют свои достоинства и недостатки, которые можно учитывать и использовать при обновлении классификации грунтов в России [501.

За рубежом в настоящее время наибольшим распространением пользуется Unified soil classification system (USCS или US), разработанная в 1952 г. инженерами военного корпуса США при консультативном участии А. Казагранде. Различные модификации этой классификации вошли в качестве основы в национальные стандарты практически всех стран: США, Германии, Англии, Австралии, стран Латинской Америки и многих других, в том числе и в стандарты объединенной Европы.

Базовыми характеристиками при классификации грунтов как по ГОСТ, так и по наиболее часто используемым стандартам BS (Великобритания) и ASTM (США) являются грансостав и параметры пластичности (для связных грунтов), но при этом применяются разные критерии идентификации. В частности, критерием принадлежности дисперсных минеральных грунтов к виду глинистых, согласно ГОСТ 25 100, является обладание числом пластичности I_p > 1; дальнейшая их классификация по разновидностям производится по числу пластичности, содержанию фракций 0,05…2,0 мм и показателю текучести //. Нужно отметить, что подразделение по фракционному составу отличается в разных классификациях (рис. 9.1). В зарубежных стандартах принадлежность к связным (глинистым) грунтам определяется процентным содержанием мелких частиц (диаметром менее 0,075 мм по ASTM и менее 0,063 мм по BS), а дальнейшая классификация выполняется по соотношению числа пластичности PI и влажности на границе текучести LL в соответствии с диаграммой, разработанной А. Казагранде и включенной как в ASTM, так и в BS. Следует отметить, что методики определения влажности на границах раскатывания w_p и текучести и 'і и пределов пластичности PL и текучести LL имеют некоторые отличия, что приводит к различным количественным оценкам этих характеристик. Число выделяемых разновидностей (групп) в рассматриваемых стандартах также не совпадает. Очевидно, что взаимно однозначный перевод терминологии невозможен как из-за различия критериев выделения глинистых и песчаных грунтов и разделения их на группы, так и из-за количественного несоответствия классификационных групп [4].

Рис. 9. 1. Подразделение грунтов по гранулометрическому составу в классификациях:

СЕ Corf) ofEngeneers. USBR U.S. Bureau of Reclamation, AASHTO American Association for Highway and Transportation Officials, ASTMAmerican Society for Testing and Material.

USD A — U.S. Department of Agriculture. ISSS — International Society of Soil Science

Таблица 9.1.

Класс скальных грунтов

Класс дисперсных грунтов

Таблица 9.2.

Окончание таол. 9.2

Таблица 9.3.

Класс мерзлых грунтов

Среди классификационных параметров, кроме пределов Аттерберга и гранулометрического состава, в классификации American association for highway and transportation officials (AASHTO) используется грунтовой индекс:

где F — содержание глинистых и алевролитовых частиц диаметром менее 0,074, проходящих через сито № 200, %; LL — показатель текучести; 1_Р — число пластичности. Групповой показатель характеризует качество грунта в основании сооружений: 0 — отличное, 0−1 — хорошее, 2−4 — удовлетворительное, 5−9 — плохое, 10−20 — очень плохое.

Используемый в настоящее время в России для классифицирования грунтов ГОСТ 25 100 [34] разработан Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) с участием других институтов на основе подхода, предложенного Р. С. Зиангировым и В. Т. Трофимовым, и был актуализирован в 2011 году. Авторы классификации включили в нее как генетические признаки, так и более 30 формальных, частных классификаций, позволяющих переходить к расчетам, используемым СНиП, СП и другими нормативами.

В общей классификации [34] все многообразие грунтов подразделено на классы скальных (табл. 9.1), дисперсных (табл. 9.2) и мерзлых (табл. 9.3) грунтов. Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

• • класс (подкласс) — по природе структурных связей;
• • тип (подтип) — по генезису;
• • вид (подвид) — по вещественному, петрографическому или литологическому составу;
• • разновидности — по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов.

В характеристики грунтов по разновидностям, предусмотренные стандартом [34], допускается вводить дополнения и изменения в случаях появления новых критериев выделения разновидностей грунтов по результатам научно-технических разработок. К наименованиям грунтов и их характеристикам допускается вводить дополнительные наименования, если это необходимо для более детального подразделения грунтов с учетом природных условий района строительства и специфики отдельных видов строительства. Дополнительные наименования должны основываться на частных классификациях отраслевого и регионального назначения, установленных соответствующими нормативными документами. Наименования грунтов должны содержать сведения об их геологическом возрасте в соответствии с местными стратиграфическими схемами, принятыми в установленном порядке.

В целом, требования, предъявляемые к общей классификации грунтов, можно сформулировать следующим образом: классификация грунтов должна представлять собой классификацию фазовых систем (грунтов) и быть логической системой для разделения полного множества грунтов в пространстве признаков; кроме того, должна учитывать генезис и процессы литогенеза твердой фазы грунта, отвечать на вопрос о том, как будет вести себя грунт при изменении фазового состава, фазового состояния и при внешних взаимодействиях, насколько интенсивно и с какой скоростью будет уплотняться, по какому типу будет разрушаться и т. д.; классификация должна быть основой для разработки частных классификаций грунтов, используемых при проектировании сооружений, быть логически непротиворечивой и формально строгой [32].

Классификация, ориентированная на массовое типовое гражданское и промышленное строительство, должна быть более простой. Практический опыт, отраженный в нормативных документах [109−113], показал, что в первую очередь от инженера-геолога и проектировщика требуется знание показателей свойств грунтов: скальных, крупнообломочных, песчаных и глинистых, мерзлых, органических и органо-минеральных, набухающих и дающих усадку, просадочных, засоленных и техногенных. Природа свойств этих грунтов различна, разнообразны методики определения показателей свойств и поэтому признаки (наборы признаков), по которым эти грунты классифицированы, также различны. Возможно, что такая классификация не будет учитывать генезис, но будет содержать показатели, востребованные при расчетах сооружений. Общая классификация должна быть дополнена специальными или расширенными классификациями, рассчитанными на особые или уникальные сооружения или особые условия строительства.