1.2. Характеристики физического состояния грунтов

Основными физическими характеристиками грунта являются:

- плотность грунта - ρ;

- плотность частиц грунта - ρ_S;

- природная влажность - W;

- влажность на границе пластичности (раскатывания) - W_p;

- влажность на границе текучести – W_L ;

Плотность грунта (г/см³, т/м³) – отношение массы грунта к его объему:

ρ = m / V = (m₁+m₂+m₃) / (V₁+V₂+V₃), (1.1)

где m – масса грунта; V – объем трехкомпонентного грунта;

m₁, V₁, m₂, V₂, m₃, V₃ – соответственно масса и объем твердой, жидкой и газообразной фаз грунта;

Тогда V= V₁+V₂+V₃; m = m₁+m₂+m₃ = m₁+m₂ ,так как масса газообразной составляющей ничтожно мала и не оказывает влияние на результаты определений.

Сумма V₂+V₃ соответствует полному объему пор в грунте, частично занятому водой и частично газом.

Плотность частиц грунта (г/см³, т/м³) – отношение массы твердых частиц грунта к их объему:

ρ_S = m₁ / V₁; (1.2)

Плотность частиц зависит только от их минерального состава. Для нескальных грунтов ρ_S = 2,6 - 2,8 г/см³.

Влажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц

(в долях единицы, иногда в процентах):

W= m₂ / m₁= (m-m₁) / m₁; (1.3)

Влажность большинства рыхлых грунтов лежит в пределах 0,01 – 0,4.

Влажность на границе пластичности (раскатывания) связного грунта Wρ соответствует влажности грунтового теста, которое при раскатывании его в шнур толщиной порядка 3 мм начинает распадаться на отдельные кусочки.

Влажность на границе текучести связного грунта W_L соответствует такому состоянию влажности грунтового теста, когда стандартный конус погружается в него на глубину 10 мм.

К производным (вычисляемым) физическим характеристикам грунта относятся:

плотность сухого грунта ρ_d – отношение массы сухого грунта

(частиц грунта) к объему всего грунта:

ρ_d = m₁ / V =ρ / 1+W; (1.4)

При расчетах нагрузок на сооружение, напряжений от действия собственного веса грунта нужно переходить к значениям удельного веса грунта (кН/м³):

удельный вес γ =  g,; (1.5)

где g = 9.81 м/с²– ускорение свободного падения.

Для нескальных грунтов он составляет 18 - 22 кН/м³.

Удельный вес частиц грунта и сухого грунта получается соответственно из выражений

γ_s = gρ_s; (1.6)

γ_d = gρ_d. (1.7)

Ниже уровня подземных вод частицы грунта испытывают взвешивающее действие воды.

Удельный вес грунта во взвешенном состоянии:

γ_sb= (γ_s –γ_w) / (1+e), (1.8)

где γ_w – удельный вес воды; е – коэффициент пористости грунта.

Пористость грунта – отношение объема пор ко всему объему грунта, что соответствует объему пор в единице объема грунта:

n = (ρ_s – ρ_d) / ρ_s= 1 – ρ_d / ρ_s. (1.9)

Коэффициент пористости грунта равен отношению объема пор к объему твердых частиц:

e = n / m = (ρ_s – ρ_d) / ρ_d = ρ_s (1+W) / (ρ–1). (1.10)

Коэффициент пористости грунта является одной из важнейших характеристик и непосредственно используется в расчетах. Для песчаных грунтов он характеризует плотность их сложения и используется как классификационный показатель.

Полная влагоемкость грунта – влажность, соответствующая полному водонасыщению грунта, т.е. когда все поры заполнены водой:

W_sat = e ρ_w /· ρ_s= eγ_w /γ_s , (1.11)

где ρ_w и γ_w – соответственно плотность и удельный вес воды.

Коэффициент водонасыщения – степень заполнения объема пор водой, определяется как отношение объема воды в порах грунта к объему пор:

S_r = W / W_sat = Wρ_s /( eρ_w). (1.12)

Коэффициент водонасыщения используется как классификационный показатель несвязных грунтов.

Гранулометрический (зерновой) состав грунта является одной из важнейших его характеристик.

Количественное соотношение частиц различной крупности, выраженное в процентах от общего веса сухого грунта, называется гранулометрическим составом грунта. Для определения гранулометрического состава (A), грунт разделяют на фракции, включающие частицы определенных размеров.

A = (m_i / m₀) 100%, (1.13)

где mi – масса фракции; m₀ – масса исследуемого грунта.

Степень неоднородности гранулометрического состава песчаного грунта характеризуется коэффициентом неоднородности, который определяется по формуле:

C_u = d₆₀ / d₁₀, (1.14)

где d₆₀ и d₁₀ – диаметры (размеры) частиц, меньше которых в данном грунте содержится (по массе) соответственно 60 % и 10 % частиц. Чем меньше степень неоднородности, тем более однородным по гранулометрическому составу является грунт.

Коэффициент неоднородности не может быть меньше единицы. При C_u ≥ 3 грунт называют неоднородным. Чем меньше коэффициент неоднородности, тем однороднее грунт.

Свойства глинистых грунтов существенно зависят от их влажности. Особенно изменяются механические характеристики грунтов.

Различают три состояния (консистенции) глинистых грунтов: твердое, пластичное и текучее. Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности, называемые влажностью на границе пластичности (раскатывания) W_p и влажностью на границе текучести W_L. Эти влажности определяются опытным путем.

Для глинистых грунтов первостепенное значение имеет диапазон влажности, в котором грунт будет находиться в пластичном состоянии.

Этот диапазон характеризуется числом пластичности J_p – разностью между влажностью на границе текучести и влажностью на границе пластичности:

J_p= W_L - W_p. (1.15)

Число пластичности определяется в основном минеральным составом тонкодисперсной (глинистой) фракции.

Состояние грунта по консистенции характеризуется показателем текучести J_L. Под консистенцией понимается густота и степень подвижности частиц грунта под механическим воздействием при разной влажности:

J_L= (W – W_p) / (W_L – W_p). (1.16)

По числу пластичности определяются типы глинистого грунта: супесь, суглинок, глина.

По показателю текучести определяется состояние глинистого грунта: твердое, пластичное, текучее.