5. Некоторые классификационные характеристики грунтов

Понятия влажности и пористости лежат в основе классификации связных (глинистых) и несвязных (рыхлых) грунтов.

1. Степень водонасыщенности грунта.

Для определения степени заполнения пор водой используется показатель, называемый степенью влажности (степенью водонасыщенности грунта), определяемый отношением объема воды в порах к объему пор G=V₂/Vп, т.е. отношением природной влажности к его полной влагоемкости.

Степень влажности можно также определить по формуле: G=W_s /,

где W - влажность, _s - плотность сухого грунта (m₁/V).

Диапазон величины степени влажности:

G < 0.5 - маловлажные;

0.5 < G < 0.8 - влажные;

0.8 < G < 1. - насыщенные.

Величина степени влажности для некоторых видов грунтов

Монтмориллонитовые глины 71%

Каолинитовые глины 43%

Гидрослюдистые глины 29%

Кварцевый песок 25%

Коэффициент водонасыщенности также характеризует фазовый состав грунта: в предельных случаях степени водонасыщенности G=0 характеризует однофазный грунт - сухие крупнопористые породы, находящиеся выше уреза воды;

G=1 характеризует двухфазный грунт (твердые частицы + вода) - водонасыщенные породы, находящиеся ниже уровня грунтовых вод.

Если грунт находится ниже уровня грунтовых вод, то его твердые частицы испытывают взвешивающее действие воды. и расчетный объемный вес грунта, соответственно уменьшается:

^‘ = (_s-_в) (1 - n) = (_s-_в)/ (1+)

Для характеристики грунтов, находящихся ниже уровня грунтовых вод, вводится коэффициент полной влагоемкости грунта G=W/Wп,

где W- естественная влажность грунта;

Wп - полная влагоемкость грунта - влажность при полном заполнении пор водой.

В случае трехфазной системы (твердый скелет+ вода+ пар) и неполном заполнении пор водой объем газов, содержащихся в грунте,

Vг = (Wп- W)( _ск / _в)

2.Число пластичности.

В зависимости от влажности для глинистых грунтов приняли для классификации три консистенции - твердую, пластичную и текучую. Границы между ними характеризующие некоторые пределы перехода грунта из одной консистенции в другую, отличаются различными величинами влажности.

Влажность, при которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное, называется нижним пределом пластичности или пределом раскатывания Wр.

Влажность, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние, называется пределом текучести или верхним пределом пластичности - Wт_.

При W < Wт грунт находится в текучем состоянии, при W>Wр - в твердом.

По мере увеличения содержания в грунте глинистых частиц возрастает величина Iп= Wт - Wр - разность значений влажности на пределах пластичности и текучести, которая называется числом пластичности, величина которого также используется для классификации глинистых грунтов.

По числу пластичностиIп грунты классифицируются следующим образом:

Iп >17 - глина

7 < Iп < 17 - суглинок

Iп < 7 - супесь

При нахождении этих пределов (соответствующих величин влажности анализируемого грунта) следует тщательно выполнять условия стандартности испытаний, предусмотренные ГОСТом.

Для численной оценки консистенции грунта используется показатель текучести илипоказатель консистенции I_L :

I_L = (W-Wр) /Iп

Классификация грунтов по консистенции:

Супеси I_L < 0 - твердая консистенция

0 < I_L < 1 - пластичная консистенция

I_L > 1 - текучая консистенция.

Суглинки и глины

I_L < 0 - твердые

0 < I_L < 0.25 - полутвердые

0.25 < I_L < 0.5 - тугопластичные

0.5 < I_L < 0.75 - мягкопластичные

0.75 < I_L < 1 - текуче-пластичные

I_L > 1 - текучие

3. Степень плотности сложения.

Для несвязных грунтов важнейшей характеристикой их свойств является плотность сложения, т.е. плотность укладки - упаковки частиц.

Основной характеристикой плотности сложения несвязных грунтов является величина степени плотности сложенияиликоэффициент относительной плотности сложения.

I_D = (_max - )/(_max -_min ),

где _max,,_min - коэффициенты пористости грунта , соответственно, в максимально рыхлом, естественном и максимально плотном состоянии.

Весь диапазон I_D от 0 до 1 обычно делят на три равные части и вводят следующую условную классификацию несвязных грунтов повеличине относительной плотности сложения:

0 < I_D < 0.33 - рыхлые

0.33 < I_D < 0.66 - средней плотности сложения

0.66 < I_D < 1 - плотные

Для оценки I_Dнеобходимо иметь данные полевых определений коэффициента пористостии в лабораторных условиях данные определений_max и_min.

Отметим, что при одном и том же коэффициенте пористости одинаковые по зерновому составу пески могут находиться в различной плотности сложения.

В частности, в зависимости от относительной плотности и водонасыщенности грунтов определяются расчетные сопротивления грунтов по нормали. Так, глинистые грунты текучей консистенции, как основания сооружений, будут непригодными, тогда как глинистые грунты твердой консистенции обладают значительной несущей способностью (2.5-5) кГ/ см². Таким образом, рассмотренные выше простейшие коэффициенты, характеризующие физическое состояние грунтов, позволяют дать общую оценку грунтов, как оснований для сооружений.

4.Гранулометрический состав грунта.

Формально грунт можно рассматривать в виде 3-х фазной системы, состоящей из твердых частиц, жидкости и газа.

Основными результатами полевых и лабораторных исследований являются количественные показатели инженерно-геологических свойств грунта (их более 130). Одни показатели используются для характеристики грунтов любого вида, например, влажность, пористость, объемный вес, другие - для характеристики особенностей отдельных видов грунтов: число пластичности, гранулометрический состав, временное сопротивление сжатию.

В составе грунта большую часть часть занимает твердая фаза. Как показали исследования, в основном свойства грунта зависят от размера и формы частиц, а также от его минералогического состава. Частицы, близкие по размерам, объединяются в определенные группы, называемые гранулометрическими фракциями. Грунты состоят из фракций разной крупности. Весовое содержание в грунте по массе каждой фракции, выраженное в %, называют гранулометрическим составом грунта. Таким образом, гранулометрический состав нескальных грунтов характеризуется содержанием частиц различной крупности в процентах по отношению к исходной сухой навеске.

В грунтоведении принято следующее разделение фракций по размерам:

более 2 мм крупнообломочные

от 2 до 0.5мм песчаные

от 0.05 до 0.002 мм пылеватые

меньше 0.002 мм глинистые

Было доказано (Охотин,1933), что смеси частиц, имеющие размеры, ограниченные указанными пределами, резко различаются по своим главным инженерно-геологическим свойствам, таким, как

• высота капиллярного поднятия,

• пластичность,

• сжимаемость,

• усадка,

• набухание,

• размокание и т.д.

Эти различия основаны на свойствах частиц, входящих в состав каждой фракции:

1. крупнообломочная фракцияобразована частицами, имеющим тот же минеральный состав, что и породы, из которых образована фракция, частицы этой фракции не обладают связностью;

2. песчаная фракция состоит, в основном, из частиц кварца, полевого шпата, известняка, сравнительно малосжимаемых, сыпучих в сухом состоянии; обладает хорошей водопроницаемостью;

3. пылеватая фракция- зерна сильно измельченного кварца, способны адсорбировать воду, частицы легко вымываются движущейся грунтовой водой. Большое содержание пылеватых частиц ухудшает строительные свойства грунта, т.к. при увлажнении такой грунт способен к разжижению

4. глинистая фракциясостоит из частиц, имеющих чешуйчатую или игольчатую форму, причем толщина частиц в 10 - 100 раз меньше двух других размеров, что обуславливает их большую удельную поверхность (суммарная поверхность, содержащаяся в 1 см³). Глинистые частицы способны адсорбировать большое количество молекул воды и свободных ионов растворенных в воде веществ; глинистые частицы всегда окружены водно-коллоидной оболочкой и могут взаимодействовать между собой.

Для определения гранулометрического состава песчано-глинистых грунтов используются ситовой, ареометрический или пипеточный методы, крупнообломочных - грохочение, ситовой. Блоки скальных грунтов, разделенные трещинами, измеряются рулеткой, линейкой, специальными приспособлениями.

Процентное содержание каждой фракции определяется по формуле:

,

Х - процентное содержание фракции в грунте,

А - масса фракции ( в граммах),

В - общая масса пробы, взятая для анализа ( в граммах).

Согласно СНиП песчаные и крупнообломочные породы классифицируются согласно следующей таблице:

Наименование видов пород	Распределение частиц по фракциям
крупнообломочные Грунт щебенистый (галечниковый) Грунт дресвяный (гравийный) песчаные Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый	Вес фракции крупнее 10 мм > 50% Вес фракции крупнее 2 мм > 50% Вес фракции крупнее 2 мм > 25% Вес фракции крупнее 0.5 мм > 50% Вес фракции крупнее 0.25 мм > 25% Вес фракции крупнее 0.1 мм > 75% Вес фракции крупнее 0.1 мм < 75%

Для установления наименования породы по указанной классификации последовательно суммируются проценты содержания частиц (фракций) исследуемого образца, начиная с наиболее крупных - сначала крупнее 10 мм, затем крупнее 2 мм, крупнее 0.5 мм и т.д. Наименование породе дается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований в таблице.

Поскольку естественный грунт содержит частицы разных размеров, при определении его гранулометрического состава используют различные методы, Анализ результатов также предполагает комбинацию различных форм графического представления - суммарные кривые, диаграммы-треугольники, циклограммы, гистограммы, из которых при анализе гранулометрического состава нескальных грунтов наибольшее распространение получили суммарные кривые и диаграммы-треугольники.

Суммарные кривые гранулометрического состава грунтов.

Для построения кривых последовательно суммируются процентные содержания каждой фракции, выделяемой в соответствии с методикой анализа. Суммирование начинают с наиболее мелких фракций. Суммарная кривая гранулометрического состава грунта представляет собой график в полулогарифмическом масштабе, причем, по оси абсцисс откладывают размеры логарифмов диаметров частиц, пропорциональные логарифмам диаметров частиц, а по оси ординат - процентное содержание частиц, меньших данного диаметра. Чем однороднее грунт, тем круче кривая. Характеристикой неоднородности гранулометрического состава грунта является коэффициент (степень) неоднородности, определяемый с помощью следующего соотношения:

где d₆₀ - диаметр частиц, меньше которого в грунте содержится 60% частиц по весу,

d₁₀- диаметр частиц, меньше которого в грунте содержится 10% частиц по весу

(эффективный диаметр частиц).

В соответствии с рекомендациями относительно однородными считаются грунты при С_u < 3 и глинистые при С_u < 5.