1.2. Физические характеристики грунтов

Физическими называют характеристики, определяющие наименование грунта и его физическое состояние. Они позволяют количественно оценить некоторые свойства грунта и не зависят от применяемых методов расчета грунтовых массивов. Многие из них можно получить, рассматривая грунт как многокомпонентную среду, состоящую из твердых частиц, жидкости (воды) и газа, с добавлением еще одной составляющей — льда в случае мерзлого грунта.

Характеристики плотности, влажности и пористости

Определение величин, характеризующих плотность, влажность и пористость грунта, выполняется одинаково для любых грунтов — нескальных и скальных, талых и мерзлых.

В рассматриваемом объеме грунта (рис. 1.6) можно для наглядности условно выделить объемы, занятые твердыми частицами V_т и порами (пустотами) V_п. Тогда полный объем грунта V_гр = V_т + V_п, где V_п = V_в+ V_г, а V_г, V_в — соответственно объем газа и воды (для мерзлых грунтов — с учетом воды, образующейся при таянии льда). Масса грунта m_гр определяется как сумма масс твердых частиц и воды m_гр = m_т + m_в (масса газа ничтожно мала и не учитывается).

Плотность грунта ρ (г/см³ или т/м³) — это отношение массы грунта (массы твердых частиц и воды) к его объему:

. (1.1)

Для непосредственного определения плотности грунтов в талом состоянии чаще всего применяют способ режущего кольца и способ взвешивания в воде (ГОСТ 5180-84). По первому способу тонкое металлическое кольцо известного объема (V_гр) осторожно врезается в грунт, а далее путем взвешивания определяют массу грунта (m_гр). По способу взвешивания находят объем образца (V_гр) известной массы. Для этого образец грунта, сохраняющий свою форму, покрывают расплавленным парафином (поэтому метод взвешивания называют также методом парафинирования) и взвешивают в воздухе и в воде. Зная объем парафина (по его массе и плотности), согласно закону Архимеда, легко вычислить объем образца.

В случае мерзлого грунта в зависимости (1.1) масса m_гр включает массу твердых частиц, льда и незамерзающей воды, при этом для плотности принято обозначение ρ_f (ρ = ρ_f). Определение плотности ρ_f мерзлого грунта методом взвешивания (без парафинирования) выполняется с использованием вместо воды керосина, лигроина. При этом образец и жидкость должны иметь отрицательную температуру.

В случае скальных грунтов для определения плотности образцы вырезаются (выпиливаются) из бурового керна. При строго правильной форме образца (куб, цилиндр) его объем вычисляют по размерам, в противном случае применяется метод взвешивания в воде [7]. Плотность скальных грунтов меняется в широком диапазоне: известняк ρ = 2 г/см³, гранит – 2,6 г/см³ , габбро – 2,95 г/см³ .

Рис. 1.6. Объем и масса составляющих грунта в его элементе

При расчете нагрузок на сооружения и напряжений от действия собственного веса грунта необходимо переходить к значению удельного веса грунта  (кН/м³), который определится как

= g, (1.2)

где g = 9,81 — ускорение свободного падения, м/с². Наиболее часто встречаемые в строительной практике грунты имеют удельный вес 13 . . . 22 кН/м³ (плотность 1,3…2,2г/см³ ).

Влажность грунта w — отношение массы всех видов воды к массе твердых частиц (сухого грунта):

w = m_в/m_т или w = (m_гр — m_т)/m_т . (1.3)

Для определения влажности (ГОСТ 5180-84) образец грунта после его взвешивания высушивают до постоянной массы (m_т). Как правило, влажность для большинства грунтов меняется в пределах 0,01 … 0,6, но встречаются грунты (например, илы) , у которых влажность достигает 1 … 2 и более. Иногда влажность грунта выражают в процентах.

Для мерзлых грунтов определяемая по зависимости (1.3) влажность называется суммарной влажностью и обозначается w_tot, т.е. w = w_tot. Помимо w_tot определяется калориметрическим методом влажность w_w, характеризующая содержание в грунте (по массе) незамерзшей воды.

Плотность частиц грунта ρ_s определяют как отношение массы твердых частиц (сухого грунта) к объему твердых частиц:

ρ_s = m_т/ V_т. (1.4)

Плотность частиц грунта зависит только от их минерального состава и в большинстве случаев изменяется от 2,4 до 2,8 г/см³. Для кварцевых песков ρ_s = 2,65 г/см³, а для многих глин — 2,70 … 2,75 г/см³. Плотность частиц определяют пикнометрическим методом (ГОСТ 5180-84). В основу способа положено определение объема частиц грунта по массе вытесненной ими жидкости (использование закона Архимеда). Для этого последовательно определяют массы сосуда известного объема (пикнометра) с жидкостью, затем с жидкостью и грунтом. В качестве жидкости используется обычно дистиллированная вода; лишь для засоленных, мерзлых и набухающих грунтов следует применять «нейтральную» жидкость, например керосин.

Плотность частиц скального грунта p_s определяется также пикнометрическим методом с предварительным дроблением породы до размеров частиц (зерен), исключающих наличие в них пор и пустот [7].

Физические характеристики - ρ, w, p_s для талых,ρ _f, w_tot, w_w, p_s для мерзлых - определяются только экспериментально. Они считаются основными и служат для определения других характеристик, приводимых ниже.

Плотность грунта в сухом состоянии (сухого грунта или скелета грунта) ρ_d определяют как

(1.5)

Из зависимости (1.3) получаем

,

откуда

. (1.6)

Удельный вес грунта в сухом состоянии γ_d = ρ_{d ·} g .

Пористость есть отношение объема пор ко всему объему грунта

или . (1.7)

Для большинства грунтов пористость колеблется от 0,3 (30%)

до 0,5 (50%).

Скелетность грунта определяется как

. (1.8)

Очевидно, что

n + m = 1. (1.9)

Коэффициент пористости определяется как отношение объема пор к объему твердых частиц (скелета) грунта

или . (1.10)

Pешая (1.10) относительно n получаем:

и . (1.11)

По экспериментально полученным значениям , w, _s характеристики n, m, e, учитывая (1.6 . . . 1.11), получаем расчетом по зависимостям:

; ;

Cтепень влажности (водонасыщения) — это отношение объема воды к объему пор грунта

(1.12)

или , (1.12^/)

где ρ_в — плотность воды (г/см³, т/м³), w_sat — влажность полного насыщения (заполнение пор водой) грунта, называемая также влагоемкостью грунта. При этом

, (1.13)

а зависимость (1.12^/) принимает вид

. (1.14)

Степень влажности меняется от 0 в случае сухого грунта до 1,0 при полном заполнении пор водой. По степени заполнения пор крупнообломочные и песчаные грунты условно делят на маловлажные (S_r ≤ 0,5), влажные (0,5< S_r ≤ 0,8) и насыщенные (S_r > 0,8).

Содержание газа в грунтах оценивают по величине s = V_г/V_гр. Зависимость (1.9) при этом приобретает вид

n_в + s + m =1,

где ,n_в + s = n. Величины s и S_r связаны между собой зависимостью

. (1.15)

Для мерзлых грунтов дополнительно определяется относительная льдистость i = (w_tot – w_w)/ w_tot и некоторые другие характеристики.

Помимо приведенных выше для некоторых специфических грунтов (органо-минеральных и органических, засоленных и др.) устанавливаются дополнительные физические характеристики. Для грунтов, содержащих органику, определяются: относительное содержание органических веществ I_от, как отношение массы сухих растительных остатков к массе сухого грунта, а также степень разложения органических веществ D_pd. Для засоленных грунтов определяется степень засоленности D_sal, характеризующая количество воднорастворимых солей в грунте (при D_sal ≤ 2% грунт относится к незасоленному, при D_sal > 2% – к засоленному). Для грунтов, склонных к выветриванию (разрушению при контакте с атмосферным воздухом, водой) определяется коэффициент выветрелости K_wr как отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта.

Пределы и число пластичности, консистенция глинистого грунта

При изменении влажности состояние и свойства глинистых грунтов существенно меняются. Сильно увлажненная глина обладает способностью легко растекаться, при уменьшении влажности глина постепенно становится пластичной, а затем и твердой, т.е. каждому значению влажности отвечает определенное состояние (консистенция) грунта.

Для оценки состояний введены границы (пределы) между ними, характеризуемые величинами влажности, называемыми пределом пластичности (раскатывания) w_p и пределом текучести w_L. Влажность w_p — соответствует границе перехода из твердого состояния в пластичное, а w_L — из пластичного в текучее.

Предел пластичности выявляется раскатыванием теста из грунта в жгут («проволоку»). Считается, что влажность грунта достигает значения, соответствующего границе пластичности (раскатывания) тогда, когда «проволока» из грунта, достигнув диаметра 3 мм, начинает при дальнейшем раскатывании распадаться на отдельные кусочки. Предел текучести определяют по погружению в замес грунта с водой специального стандартного конуса (конус А.М. Васильева), имеющего риску (метку). Влажность на пределе текучести считается достигнутой, если конус погружается в грунт до риски. Определение w_p и w_L ведутся в соответствии с ГОСТ 5180-84.

Пределы текучести и пластичности используются для определения числа пластичности грунта

I_p = w_L — w_p . (1.16)

Как показали многочисленные опыты, I_p растет с увеличением в грунте содержания глинистых частиц (глинистой фракции). Учитывая, что содержание глинистой фракции определяет вид грунта, число пластичности применяют для классификации грунтов. В зависимости от числа пластичности различают: песок (I_p≤ 0,01), супесь ( 0,01< I_p ≤ 0,07), суглинок (0,07< I_p ≤0,17) и глину (I_p >0,17).

Следует отметить, что для глинистых грунтов классификация по грансоставу и по числу пластичности дают иногда разное наименование грунта. В соответствии с ГОСТ 25100-95 в основу строительной классификации грунтов по виду (наименованию) сейчас принято число пластичности.

Зная естественную влажность грунта w и определив для него в лабораторных условиях границы w_p и w_L, легко сделать заключение о консистенции грунта в природных условиях.

Для численной оценки консистенции грунта введен показатель текучести или показатель консистенции I_L:

I_L= (w – w_p)/(w_L – w_p). (1.17)

При I_L < 0 грунт находится в твердом состоянии (твердая консистенция), при 0 ≤ I_L ≤ 1 — в пластичном, а при I_L > 1 — в текучем. Для суглинков и глин введено более детальное деление пластичного состояния на полутвердое, тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное с границами между ними I_L = 0,25; 0,50; 0,75.

Заметим, что многие природные грунты, находящиеся согласно значению I_L в текучем состоянии, в естественном залегании (в ненарушенном состоянии) благодаря наличию структурных, особенно цементационных связей, могут и не проявлять свойств текучести . Состояние таких грунтов обозначается как «скрытотекучее».

Плотность сложения песчаных грунтов

Для несвязных (песчаных) грунтов важнейшей характеристикой их свойств является плотность сложения, т.е. плотность укладки — упаковки частиц. Таковой является степень сложения или величина относительной плотности сложения

, (1.18)

где e_max, e, e_min — коэффициент пористости соответственно в максимально рыхлом, естественном и максимально плотном состояниях. При I_D = 0 грунт находится в самом рыхлом, при I_D = 1 в самом плотном состоянии.

Весь диапазон изменения I_D от 0 до 1 делят на три равных части и соответственно несвязные грунты (в природном залегании или в отсыпанных насыпях) характеризуют как рыхлые при 0 ≤ I_D≤ 0,33, средней плотности при 0,33< I_D ≤ 0,66 и как плотные при 0,66 < I_D ≤ 1,0.

Для вычисления I_D по формуле (1.18) необходимо иметь результаты полевого определения величины е в естественном состоянии (в основании, в насыпи) и лабораторных определений e_max и e_min. Для нахождения e_max обычно используют осторожную рыхлую отсыпку грунта в мерный сосуд (емкость), а для определения e_min выполняют динамическое уплотнение грунта в этом сосуде.

Грунты различного грансостава имеют существенно отличные значения e_max и e_min, причем с увеличением крупности они уменьшаются. На величины e_max и e_min не меньшее влияние оказывает форма частиц. В частности, с увеличением окатанности и сферичности они уменьшаются. Поэтому использование для характеристики плотности сложения величины I_D, учитывающей как зерновой состав, так и форму частиц, дает наиболее объективную оценку плотности. В этом плане менее достоверную оценку плотности дает применение (по рекомендации некоторых норм) коэффициента пористости грунта [4,9].