4. Основные физические характеристики грунтов.

При изучении свойств грунтов различают свойства, характеризующие физическое состояние грунтов (пористость, водонасыщенность, пределы консистенции), и свойства, отражающие реакцию грунта под действием внешних сил - коэффициенты сжимаемости, водопроницаемости, внутреннего трения и модули деформируемости. Физические характеристики грунтов позволяют количественно оценить их свойства и не зависят от применяемых методов расчета. Схематически структура грунта, как рыхлой дисперсной породы может быть представлена схематически в виде трехфазной системы, в общем случае состоящей из твердых частиц, жидкости и газа.

	ПОРЫ	ГАЗ
	Vг	g г=0
ГРУНТ	VП	ВОДА g2(m2)
V; g (m)	ТВЕРДОЕ ВЕЩЕСТВО
	V1 ; g1(m1)

Рис. 4.1 Схема основных частей грунта.

Введем обозначения:

V - объем грунта; g - вес (m- масса) грунта;

V₁- объем твердых частиц грунта; g₁- вес (m₁- масса) твердых частиц грунта;

V_П - объем пор; V_{П =} V_г + V₂ ; g₂- вес (m₂- масса) воды в порах грунта;

V = V₁ + V_П g = g₁ + g₂ ; m = m₁ + m₂

Отметим, что весом газа в порах пренебрегаем.

Определим следующие физические характеристики грунтов:

1. Объемный вес грунта- это отношение веса образца грунта (веса твердых частиц и воды) к его объему: = g/V = (g₁ + g₂) / (V₁ + V_П )[ Н/ м³] ([Н= кг_*м/сек²]).

Наиболее часто встречаемые в строительной практике грунты имеют объемный вес

(13 - 22 )кН/м³.

Плотность грунта- это отношение массы грунта (массы твердых частиц и воды) к его объему:  = m/V = (m₁ + m₂)/(V₁ +V_П)[г/ см³]; ([т/м³]).

Соответственно, диапазон плотности грунтов (1.3 - 2.4) г/см³.

Следовательно,  = g,причем, в данной формулеg- ускорение свободного падения,

g= 9,8(10) [м/сек² ].

Пример. Выведем соотношение между величиной объемного веса грунта м его плотностью, обращая внимание на единицы измерения:

g=13 кН/м³= 13000 Н/м³ = 1300 кГс/м³ = 1300 * (1000Г / 10⁶ см³ ) =1.3 Гс/см³

Сравним: = 1.3 г/ см³ .

Таким образом, если плотность и удельный вес вычислять в [г/ см³] и [Гс(Г) /см³], соответственно, то их численные значения совпадают. Это утверждение справедливо для всех физических величин, определения которых зависят от веса и массы.

Необходимо отметить, что объемный вес породы является прямым расчетным показателем во всех инженерно-геологических расчетах.

2. Объемный вес скелета грунта- это отношение веса твердых частиц грунта ко всему объему грунта: _ск = g₁/ V = g₁ /( V₁ + V_П)[ Н/ м³] ([Н= кг_*м/сек²]);

диапазон величины - (10 < _ск < 19 ) кН/м³.

Плотность скелета грунта(или плотность сухого грунта) - это отношение массы сухого грунта (твердых частиц грунта) ко всему объему грунта:

_ск = m₁/V = m₁ /(V₁ + V_П)[г/ см³]; ([т/м³]);

диапазон величины 1.0 < _ск < 1.9 ) г/см³.

3. Удельный вес скелета грунта- отношение веса сухого грунта (минеральных частиц) к объему сухого грунта (минеральных частиц): _s = g₁/V₁ [ Н/ м³];

диапазон величины - (25 < _s < 28 ) кН/м³;

кварцевые пески - 26.5 кН/м³; суглинки - 27.0 кН/м³; глины -27.5 кН/м³.

Плотность частиц грунта- это отношение массы твердых частиц (сухого грунта) к объему минеральных частиц грунта: _s = m₁/V₁ [г/ см³]; ([т/м³]);

диапазон величины 2.5< _s < 2.8) г/см³

Поскольку m₁ = m-m₂ . а V=V-V_п . то_s = (m-m₂ )/ (V-V_п )

Плотность частиц грунта определяют пикнометрическим методом.

Удельный вес скелета грунта (удельный вес породы) характеризует твердую фазу, зависит только от минерального состава и возрастает с увеличением в породе тяжелых минералов. Таким образом, удельный вес пород, состоящих из одних и тех же минеральных частиц. есть величина постоянная и не зависит от плотности и влажности образца, взятого для анализа. Необходимо отметить, что в отличие от удельного веса, объемный вес породы, так же как и объемный вес скелета грунта зависит от влажности и пористости породы.

4. Под влажностью грунта (W)понимают содержание в ее порах того или иного количества воды, удаляемой при нагревании породы до температуры не выше 105 градусов. Удаляемая при нагревании вода находится в порах породы и на ее поверхности (в отличие от химически связанной воды в кристаллической решетке минералов, из которых состоит порода).

Влажность грунта- это отношение массы (веса) воды в порах грунта к массе (весу) твердых частиц (сухого грунта) :

w = m₂ / m₁ = (m - m₁ )/ m₁. = g₂ / g₁ = (g - g₁)/ g₁

эти выражения можно представить в виде: w= (-_ск)/_ск, тогда_ск=/( 1+w)

w= (-_ск)/_ск, тогда_ск=/( 1+ w)

Как правило, влажность для большинства грунтов меняется в пределах от 0.01 до 0.6 - от 1% до 60%, но встречаются и грунты (например, илы), у которых влажность достигает 1... 2(200%) и более.

Следует подчеркнуть, что три основные физические характеристики грунта ,_s, wопределяются только экспериментальным путем (см. соответствующие лабораторные работы) и по ним рассчитываются многие величины, по которым классифицируются грунты.

Введем понятие полной влагоемкости грунта, соответствующей полному заполнению пор грунта водой. Полную влагоемкость вычисляют по формуле:

Wп = ( 1/_cк - 1/_s ) *  _w ,

где _cr - плотность сухого грунта (m₁/ V);

_s - плотность частиц грунта (m₁/V₁);

 _w- плотность воды.

5. Пористость - это отношение объема пор ко всему объему грунта (объем в

единице объема грунта, может быть выражена в % ):

n= Vп / (V₁ + V₂ )= (V -V₁) / V .

Если ввести величину, обратную пористостиm=V₁/V, то очевидно, что

m+n=(V₁/V+Vп/V)=1

Домножая формально числитель и знаменатель в выражении m=V₁/V на m₁ и вспоминая определения _s = m₁/V₁ и _ск = m₁/V, выполним очевидные преобразования, получим:

m=_ск/_s илиn = 1-m=(1 - _cк/_s) = (1 - _ск/_s), что является основанием для экспериментального определения пористости.

Коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твердой фазы:

 = Vп/ V₁ = n / (1 - n);

или = (_s-_ск) /_ск; n =/ ( 1+).

В нефтяной геологии и гидрогеологии выделяют эффективную пористость, под которой понимают часть пор, способную участвовать в передвижении жидкости (воды или нефти) и газа, в расчетах принимают n_эф=0.1n.

Пористость магматических и сцементированных пород измеряется долями процента. У песчаников и некоторых известняков пористость составляет (35-45)%. В глинистых породах пористость зависит от размеров частиц и структуры породы и может достигать 60%. Фактически вследствие неоднородности рыхлых пород пористость колеблется от 25 до 45%.