11 Основные физические характеристики грунтов. Методы их определения.
При нарушении структурных связей грунта его свойства изменяются, поэтому необходимо изучать состояние грунта при ненарушенной структуре. Для этого в процессе инж.-геологических изысканий из шурфов и скважин отбирают образцы грунта и экспериментально определяют 3 основные характеристики:- влажность;- плотность; - плотность частиц грунта. Рассмотрим выделенный из грунта образец объемом V=1 см3:
Природная
влажность грунта
(W)
– отношение массы воды, содержащейся
в порах грунта, к массе грунтового
скелета:
,
%. Определяется
взвешиванием образца грунта естественной
влажности до и после высушивания (до
постоянной массы) при температуре 105
0С.
Плотность
грунта
(ρ)
– отношение массы образца грунта к его
объему:
,
г/см3.
Зависит от минералогического состава,
пористости и влажности (ρ=1,4…2,2 т/м3).
Методы
определения плотности грунта: метод
режущего кольца – применяется для
связных грунтов, легко поддающихся
резке, а т.ж. песчаных грунтов ненарушенного
сложения и естественной влажности;
метод взвешивания в воде – для связных
грунтов, трудно поддающихся резке.
Плотность
частиц грунта
(ρs)
– отношение массы частиц грунта к
объему, занимаемому этими частицами:
,
т/м3.
(ρs=2,4…2,8
т/м3).
Определяется
с помощью мерных сосудов (пикнометров),
емкостью не менее 100 см3
(пикнометрический метод). В расчетах
чаще всего используются не значения ρ
и ρs,
а
и s
– соответственно удельный вес грунта
и удельный вес частиц грунта.
,
кН/м3;
,
кН/м3
(g=9,81
м/с2).
Производные характеристики грунтов.
Зная величины ρ, ρs и W можно вычислить ряд производных характеристик грунта:
Плотность
сухого грунта
ρd
– отношение массы скелета грунта
(исключая воду в порах) ms
к объему этого грунта Vо:
,
т/м3;
где: ρ –
плотность грунта, г/см3;
w
– влажность грунта, %.
Пористость
грунта
n
– отношение объема пор Vпор
к объему всего грунта V0:
;
где: ρ –
плотность грунта, г/см3;
ρd
– плотность сухого грунта, г/см3;
ρs
– плотность частиц грунта, г/см3;
w
– влажность грунта, %.
Коэффициент пористости е – отношение объема пор Vпор к объему частиц грунта V0:
Песчаные
грунты по плотности их сложения разделяют,
в зависимости от коэффициента пористости
на: Прочные (плотные) Средней прочности
(средней плотности); Малопрочные
(рыхлые).
Степень влажности Sr – доля заполнения пор грунта водой - отношение влажности W к полной влагоемкости грунтов Wsat:
где:
ρw
– плотность воды, г/см3.
По степени влажности грунты бывают: а)
маловлажные (0<Sr
0,5);
б) влажные (0,5<Sr
0,8);
в) насыщенные водой (0,8<Sr
1).
2.Механические характеристики грунтов
Водопроницаемость. Водопроницаемость – свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды.
Закон фильтрации: скорость фильтрации Vф прямо пропорциональна гидравлическому напору i.
Vф = Кф i , Кф – коэффициент фильтрации – это скорость движения грунтовых вод при i = 1 (см/сек; м/сут)
Кф.
песок=
10-2
10-3см/сек;
Кф. глина=
10-8
10-12см/сек
Водопроницаемость зависит от: - пористости грансостава; - градиента напора. В строительстве фильтрационные свойства грунта связаны: – с инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин). – с вопросами временного понижения уровня грунтовых вод для осушения котлованов.
Закон звучит: скорость фильтрации Vf прямопропорц-на гидравлич-му коэ-ту i. Градиент напора i равен падению напора на единицу длины:
Сжимаемость грунтов.
Сжимаемость грунтов – способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления. Степень сжимаемости грунтов зависит от структуры грунта и является важной характеристикой механических свойств грунта, которая используется для расчета осадок зданий и различных сооружений. Сжимаемость грунтов обусловлена изменением их пористости при приложении нагрузки и происходит за счет возникновения взаимных сдвигов частиц. Уменьшения толщины водно-коллоидных пленок отжатия воды в водонасыщенных грунтах и за счет разрушения кристаллизационных связей в сильно структуированных грунтах. В связи с тем, что сжимаемость грунтов связана с уменьшением их пористости, в механике грунтов принято характеризовать сжимаемость грунта зависимостью коэффициента пористости е от уплотняющего давления Р. Эта зависимость называется компрессионной и определяется в лабораторных условиях экспериментально в приборах двух типов: -одометре (приборе одноосного сжатия с жесткими боковыми стенками обоймы, в которую заключен образец грунта) называемым также компрессионным прибором; -стабилометре (приборе трехосного сжатия с эластичными боковыми стенками, в которые заключен грунт).
При
относительно малых давлениях
<
сжимаемость
грунта м.б. сравнительно небольшой,
значительно меньшей, чем при больших
давлениях.
При изменении давления в практических целях заменяют зависимость между Е и Р прямолинейной, т.е. заменяют кривую
на
этом участке отрезком стягивающей
хорды. Тогда из геометрических соображений
получим
,
коэффициент
сжимаемости
.
Для расчета осадок удобнее пользоваться
коэффициентом относительной сжимаемости
.Эти
показатели необходимы для расчета
осадок фундамента зданий или сооружений.
Сопротивление грунтов сдвигу. Методы опредления парамтров прочноти грунта. Сопротивление грунтов сдвигу определяет их прочность и устойчивость в основаниях сооружений и откосах, а также давления на ограждения котлованов. Сопротивление сдвигу по-разному проявляется в песчаных и глинистых грунтах и зависит от характера между частицами, слагающими грунт. Сопротивление грунта сдвигу может определяться различными методами: -метод прямого плоскостного среза; - -метод одноосного сжатия; - -метод трехосного сжатия; -метод лопостных испытаний; -метод шариковой пробы; Закон Кулона для песчаных грунтов имеет следующий вид: = tg Закон Кулона для связных грунтов имеет следующий вид: = tg + c . где φ- угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения следует рассматривать как параметр линейного графика среза образца песчаного грунта, который проведен через начало координат. Рисунок. Результирующая схема испытания прямым срезом: а - песчаный грунт; б - глинистый грунт
