Грунты для земляного полотна должны обеспечивать его проч­ность и устойчивость. Эти качества зависят от физических, химиче­ских и механических свойств грунтов, а также от полноты и досто­верности инженерно-геологических данных, рационального выбора конструкции и соблюдения правил производства работ. Качество работ по возведению земляного полотна имеет первостепенное значение.

Инженерно-технические работники строительных управлений и механизированных колонн, осуществляющие руководство сооруже­нием земляного полотна, должны хорошо знать физико-техниче­ские характеристики грунтов, так как они оказывают большое вли­яние на стабильность и долговечность работы земляного полотна.

Для установления вида грунта в полевой лаборатории определя­ют следующие основные характеристики: пластичность, влажность, плотность, коэффициент консистенции и гранулометрический со­став. Для вечномерзлых грунтов, кроме того, определяют темпера­туру, льдистость, показатели морозного пучения, категорию сжима­емости или просадочности оснований и др.

Пластичность — это способность грунта под действием внеш­них сил изменять свою форму без изменения объема и появления трещин и сохранять приданную ему форму после того, как действие внешней силы утрачено. Пластичность грунта проявляется лишь в определенном диапазоне влажности — «между границами текуче­сти и раскатывания».

Граница раскатывания, или предел пластичности, соответствует влажности, при которой грунт переходит из пластичного в твердое состояние. Тесто, изготовленное из такого грунта, раскатываемое в жгутик толщиной 3 мм, начинает кро­шиться.

Границей текучести W_T называется влажность теста, из­готовленного из грунта и воды, при которой грунт из пластичного состояния переходит в текучее. В лаборатории это состояние опре­деляется погружением балансирного конуса массой 76 г на глуби­ну 20 мм в тесто, полученное за 5 с.

Число пластичности грунта:

W_П = W_T — W_Р

где W_T — влажность, соответствующая границе текучести;

W_Р — влажность, соответствующая границе раскатывания.

Состояние глинистых грунтов характеризуется коэффициен­том консистенции:

B = (W — W_Р)/(W_T — W_Р) = (W — W_Р)/W_П

где W— естественная влажность.

В зависимости от вида (разновидности) грунтов коэффициент консистенции В принимается по табл. 1.

Глинистые или связные грунты в зависимости от чис­ла пластичности делятся на супеси и глины (табл. 2).

¹ Для супесей легких крупных учитывают содержание частиц размером 2—0,25 мм. К наименованию глинистого грунта, установленному по табл. 2, при содержании в образце грунта 20—50% (по массе) частиц крупнее 2 мм добавляют «гравелистый» (при окатанных частицах) или «щебенистый» (при неокатанных).

Крупнообломочные и песчаные грунты в зависимости от зерно­вого состава делятся на виды, приведенные в табл. 3.

При определении вида грунта последовательно суммируют про­цент содержания в нем частиц, начиная от более крупных. Грунту дают наименование по первой сумме, удовлетворяющей показате­лю содержания частиц в табл. 3.

Пески мелкие, содержащие более 90% частиц размером 0,10 — 0,25 мм, относят к одноразмерным, пески, у которых К60/10 = (d*60)/(d*10) > 3 (60 и 10 — процент просеявшихся частиц через сита диаметром d), — к разномерным.

К числу основных расчетных характеристик грунтов при проек­тировании конструкций земляного полотна относятся: объемная масса грунта γ, угол внутреннего трения φ, коэффициент трения ƒ(ƒ = tgα) и удельное сцепление с. Эти характеристики определяют прочность и устойчивость земляного полотна.

Значения расчетных характеристик не остаются постоянными для одного и того же грунта, они меняются в зависимости от его влажности и температуры. Влажность грунтов меняется в течение года — от весеннего снеготаяния, выпадения осадков в виде дож­дей, поднятия уровня грунтовых вод и др.

Повышение влажности всегда ухудшает характеристики грун­тов и их прочность. Поэтому при проектировании предусматривают защиту грунтов от опасного действия влаги.

Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с определяют в стационарных лабораториях.

Скальные грунты и породы различают по временному сопротивлению сжатию, степени растворимости и размягчаемости в воде, по подверженности выветриванию.

Скальные грунты и породы считаются размягчаемыми, если отношение их временных сопротивлений сжатию в насыщен­ной воде и в воздушно-сухом состоянии меньше 0,75, а при отно­шении, равном или более 0,75, — не размягчаемыми.

По степени выветриваемости скальные грунты делятся на слабовыветривающиеся и легковыветривающиеся (табл. 4).

По степени водопроницаемости грунты для железнодорожных насыпей делятся на дренирующие и недренирующие.

К дренирующим грунтам относятся скальные и крупнооб­ломочные грунты, пески гравелистые, крупные и средней крупности, а также пески мелкие, удовлетворяющие одному из следующих ус­ловий: коэффициент фильтрации грунта должен быть более или равен 0,5 м/сут.; содержание частиц размером меньше 0,1 мм долж­но быть равно или менее 15%, в том числе размером менее 0,005 мм менее 2% по массе.

К недренирующим относятся глинистые грунты, а также пески мелкие, не удовлетворяющие указанным условиям. При опре­делении коэффициента фильтрации плотность должна быть доведе­на в приборе стандартного уплотнения до максимальной при опти­мальной влажности.

Глинистые грунты считаются переувлажненным и, если их влажность превышает значения, при которых грунт в насыпи может быть уплотнен до требуемых величин, а в пределах выемок их коэффициент консистенции В>0,25.

К набухающим относятся глинистые грунты, у которых сум­марный показатель степени набухания — усадки:

Δν_с = (Δν_н — Δν_у)/(1 — Δν_y) > 0,1,

где Δν_н и Δν_у — показатели, соответственно характеризующие сте­пень набухания и усадки грунтов.

К сильно набухающим относится грунт при Δν_с ≥ 0,20.

К грунтам, обладающим специфическими строитель­ными свойствами, относятся илы, лёссы, аргиллиты, мерге­ли, трепел, тальковые, пирофиллитовые и слюдистые грунты, мело­вые породы, сланцевые глины, торф, черноземы и др.

К вечномерзлым относятся грунты, находящиеся в мерз­лом состоянии в продолжение многих лет. Физико-механические свойства мерзлых грунтов, количество незамерзшей воды, плот­ность, осадка при оттаивании, их прочностные показатели изменя­ются в зависимости от температуры грунта. Обычно темпе­ратура вечномерзлых грунтов изменяется от 0 до —5° С.

Глубина, на которой затухают сезонные колебания температу­ры, называется глубиной нулевых годовых амплитуд. Температура грунта на этой глубине служит основной характери­стикой среднегодовой температуры вечномерзлой толщи. Для ин­женерных целей принято считать температуру грунта практически постоянной на глубине 10 м.

Температура грунтов изменяется в зависимости от их состава, льдистости, рельефа местности, экспозиции склонов, наличия грунтовых вод, температуры наружного воздуха и др.

При определении температуры грунта в процессе инженерно-­геологических изысканий в специально пробуренные скважины глубиной 10 м опускают заленивленные ртутные термометры, име­ющие точность 0,1°. Термометры должны находиться в скважине не менее 3 ч.

Температуру измеряют на характерных типах местности и в пре­делах однотипных ландшафтных комплексов.

К высокотемпературным вечномерзлым относят­ся грунты с температурой от 0 до —1 —1,5° С на участках остров­ной мерзлоты, к низкотемпературным — грунты с темпера­турой от —1,5° С и ниже.

Вечномерзлые грунты, верхняя поверхность которых перекры­вается нижней поверхностью слоя сезонного промерзания грунтов, называется «сливающимися» вечномерзлыми грунтами. Если же их верхняя поверхность ниже подошвы слоя сезонного промер­зания, то их относят к «несливающимся» вечномерзлым грун­там.

Встречаются «слоистые или многослойные мерзлые толщи», т. е. когда два и более слоев вечномерзлых грунтов, за­легающих друг над другом, разделены талыми прослоями. В рай­онах распространения вечномерзлых грунтов «сливающегося» ти­па летом над их поверхностью образуется слой сезонного оттаива­ния — «деятельный слой» (рис. 8).

Глубина сезонного промерзания грунтов зависит от их влажности, вида, характера растительности, мощности снежно­го покрова, экспозиции склона и среднегодовой температуры воз­духа. То же относится и к толщине деятельного слоя.

Основным показателем деформации мерзлых грунтов при их оттаивании под действием нагрузки от сооруже­ния является относительная осадка.

Величина относительной осадки:

δ = S/h

где S — величина осадки образца грунта при испытании без боко­вого расширения;

h — высота уплотняемого образца.

Основания насыпей земляного полотна по степени возмож­ной осадки вечномерзлого грунта при его оттаивании в зависи­мости от относительной осадки δ делятся па четыре типа (табл. 5).

Марями на Дальнем Востоке и Забайкалье называют болота, в основании которых залегают вечномерзлые грунты.

Морозное пучение — это поднятие поверхности про­мерзающего грунта в результате перехода в лед воды, содер­жащейся внутри объема грунта и поступившей извне в процессе миграции.

Неравномерность морозного пучения характери­зуется коэффициентом:

K = (h₂ — h₁)/L

где h₂, h₁ — превышения одной точки поверхности пучения над другой, см;

L — расстояние между точками, см.

Превышение и коэффициент неравномерности пучения опреде­ляются в полевых условиях на месте предполагаемого сооружения (выемки, нулевого места и др.) высотным нивелированием ряда точек до замерзания и после промерзания грунта. Нивелировать можно в относительных отметках.

Основные характеристики состава и состояния грунтов, необхо­димые для полевого контроля качества сооружения земляного по­лотна, определяют механизированные колонны. Для этого в состав каждой колонны и строительно-монтажного подразделения (СМП), ведущих земляные работы, должны входить полевые грунтовые ла­боратории, оснащенные необходимым оборудованием. Руководит лабораторией старший лаборант, который подчиняется главному инженеру механизированной колонны или СМП.

При испытании лаборант руководствуется «Методическими указаниями о работе полевой грунтовой лаборатории», разработанными ЦНИИСом. В Указаниях дается подробная методика определе­ния характеристик грунтов и приведены формы журналов ведения лабораторных работ.

Сложные лабораторные испытания грунтов, например, на сдвиг, трехосное сжатие и др. выполняют стационарные лаборатории про­ектных или учебных институтов.