4.6. Физико-механические свойства грунтов

Физические свойства грунтов. Отметим вначале наиболее характерные физические свойства грунтов согласно СТБ 943-93 и ГОСТ 25100-95. К числу наиболее важных характеристик относятся удельный вес и пористость грунта.

Удельный вес грунта — отношение веса грунта с водой в его порах к занимаемому этим грунтом объему, включая поры:

 = G/V,

где  – удельный вес грунта, кН/м³; G – вес грунта естественной влажности и сложения, кН; V – объем, занимаемый грунтом, м³. Удельный вес частиц грунта - отношение веса сухого грунта к объему его твердой части:

_s = G_s/V_s;

где _s – удельный вес частиц грунта, кН/м³; G_s – вес частиц сухого грунта, кН; V_s– объем, занимаемый частицами грунта, м³. Удельный вес частиц грунта изменяется для всех грунтов в пределах от 26,1 до 27,5 кН/м³.

Удельный вес сухого грунта - отношение веса сухого грунта ко всему занимаемому этим грунтом объему:

_d = /(1 +0,01w);

где _d – удельный вес сухого грунта, кН/м³; w – его влажность, %.

Пористость грунтов - процентное отношение объема пор к общему объему грунта:

n = (V_n/ V)100%,

где V_n – объем пустот грунта, см³; V – объем грунта, см³.

Пористость грунта выражают через значение его удельного веса:

n = (1 – _d / _s )100%.

Коэффициент пористости - отношение объема пустот (пор) к объему частиц грунта. Выражается в долях единицы.

e = Vn / Vs; e = n / (1-n); или e = (_s – _d) / _{s .}

Водно-физические свойства грунтов.

Влажность грунта w, % - процентное отношение веса воды, содержащейся в порах, к весу сухого грунта (высушивание образца производят в термошкафу при t = 105...107 ^oС в течение 8 ч и более). Эта характеристика влияет на физическое состояние, прочность, деформируемость и другие свойства грунтов.

w = 100 (G – G_s) / m_s ,

где G – вес грунта вместе с содержащейся в нем водой, г; G_s – вес высушенного грунта, г.

Максимально возможное содержание в грунте воды при полном заполнении пор называют полной влагоемкостью грунта w_n.

Ее определяют по формуле:

w_n = e _w / _d .

Под гигроскопической влажностью понимают влажность воздушно-сухого грунта.

Степенью влажности или относительной влажностью называют степень заполнения пор грунта водой, т.е. отношение объема воды к объему пор грунта:

S_r = w _s (100 – n) / n или S_r = w _s / e _w ,

где S_r – степень влажности грунта, %; w – естественная влажность грунта, %; _s – удельный вес частиц грунта, г/см³; n – пористость,%; _w – удельный вес воды, см³; е – коэффициент пористости.

По степени влажности грунты подразделяют на четыре основные группы согласно S_r: сухие – 0 – 0,2; слабовлажные – 0,2 – 0,4; влажные – 0,4 – 0,8; насыщенные водой – 0,8 – 1.0.

Пластичность — способность грунта изменять под действием внешних сил (давления) свою форму, т. е. деформироваться без разрыва сплошности и сохранять полученную форму после прекращения действия внешней силы. Пластичность грунта во многом определяет его деформируемость.

Нижним пределом пластичности w_р или границей раскатывания называют такую влажность глинистого грунта, при которой раскатываемый из него жгутик диаметром 3 мм начинает крошиться от потери пластических свойств, т.е. влажность на границе перехода грунта из твердого состояния в пластичное.

Верхний предел пластичности w_L или граница текучести – влажность глинистого грунта на границе перехода из пластичного состояния в текучее.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности получила название числа пластичности, I_p %:

I_p = w_L – w_p.

По числу пластичности I_p выделяют глинистые грунты трех типов:

1) высокопластичные (глины) – 17 %; 2) пластичные (суглинки) – 17...7 %; 3) слабопластичные (супеси) – 7 %.

Консистенция I_L или показатель текучести — это характеристика состояния грунта ненарушенной структуры.

I_L = (w_L - w_p) / I_p.

Некоторые свойства глинистых грунтов и их характеристики. Набухание - способность глинистых (или заглинизированных песчаных) грунтов при насыщении водой увеличивать свой объем. Это сопровождается развитием в грунте давления набухания. Бентонитовая глина может увеличить свой объем более чем на 80 %, каолинитовая – на 25 %.

Коэффициент набухания (К, %) определяют в лаборатории по приросту объема грунта в процессе насыщения его водой:

K = (V – V₁) 100% / V₁,

где V – объем набухшего грунта, см³; V₁ – объем воздушно-сухого грунта, см³.

Способность грунтов к набуханию характеризуется: степенью набухания К, %; давлением набухания р, МПа; влажностью набухания W, при которой прекращается поглощения воды грунтом.

Усадкой грунта называют уменьшение его объема при высыхании. В наибольшей степени набуханию и усадке подвержены глинистые грунты и содержащие органические вещества (гумус).

Размоканием называют способность глинистых грунтов в стоячей воде терять связность и разрушаться — превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей прочности. Наличие в грунте гумуса и карбонатов замедляет размокание.

Липкость (г/см²) – способность пластичных глинистых грунтов прилипать к поверхности предметов (колесам и тракам дорожных машин, к лопате и т.д.), что обусловлено наличием пленочной воды, а в почвах также гидрофильного гумуса. В период дождей она осложняет разработку котлованов и процесс уплотнения грунтов.

Деформационные и прочностные свойства грунтов.

Сжимаемость грунтов - их способность деформироваться без разрушения под влиянием внешней нагрузки. Характеризуется модулем общей деформации Е, коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия. Сжимаемость дисперсных грунтов под нагрузкой обусловлена смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор.

Прочность грунтов определяется их сопротивляемостью сдвигу, которое можно описать линейной зависимостью Кулона

 = p tgφ + c,

где  – сопротивление сдвигу, МПа; р – нормальное давление, МПа; tg φ – коэффициент внутреннего трения; φ – угол внутреннего трения, град; c – сцепление, МПа.

Величины φ и c необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости.

Прочность скальных грунтов определяется преимущественно структурными связями (сцеплением), но более трещиноватостью.

По временному сопротивлению одноосному сжатию (предел прочности на сжатие) производится отнесение грунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа).