Основные физические характеристики и показатели грунтов

Свойства грунтов следует характеризовать количественными показателями. Определяют характеристики на образцах грунта, отобранных в полевых условиях с сохранением природной структуры и влажности.

Рассмотрим лишь те характеристики грунтов, которые определяют их физические свойства.

Отобранный без нарушения структуры образец грунта единичного объема можно представить себе состоящим из объема V_s, занимаемого твердым веществом (скелетом), и объема V_n, занимаемого порами (рис.1.3, где V ₀ – объем грунта; V_s – объем твердой фазы, V_n – объем пор, V _в – объем воды в порах; V _г – объем воздуха (газа); m ₀ – масса единицы объема грунта в естественном состоянии; m_s – масса твердой фазы; m _в – масса воды в порах; m _г – масса газа, принимаемая равной нулю.).

Часть объема пор V_n может быть заполнена водой, а часть V _г – воздухом (газом).

Рис.1.3. Соотношение объемов составляющих фаз грунта

Пористость, обозначаемая буквой n, представляет собой весьма важный показатель, характеризующий соотношение между объемом скелета (твердого вещества) и объемом пор в грунте и равный отношению объема пор к объему всего образца грунта, выраженному в %

. (1.5)

В практике чаще пользуются показателем, называемым коэффициентом пористости, обозначаемым е и равным отношению объема пор к объему скелета

. (1.6)

Очевидно, что при этом можно через коэффициент пористости найти объем m_s, занимаемый скелетом грунта или V_s:

; ;

.

. (1.7)

Непосредственным путем определить объем пор в грунте не представляется возможным, поэтому определение ведут косвенным путем, через весовые показатели, полученные непосредственно в лаборатории: плотность твердых частиц грунта r _s, плотность грунта естественной (ненарушенной) структуры r и природную весовую влажность w.

1. Плотность твердых частиц грунта r _s равна отношению веса частиц m_s к их объему V_s:

. (1.8)

Плотность твердых частиц зависит только от минералогического состава грунта и определяется при помощи пикнометра. Для песков r_s =2,55...2,66 г/см³, для супесей – 2,66...2,68 г/см³, для суглинков – 2,68...2,72 г/см³, для глин – 2,70...2,95 г/см³.

2. Плотность грунта r естественной (ненарушенной) структуры определяется как отношение массы образца m_o грунта к его объему V ₀:

. (1.9)

Плотность является важной характеристикой грунта и используется при расчетах несущей способности основания, природного давления грунта, давления грунта на подпорные стенки, устойчивости оползневых склонов и откосов. Плотность грунта зависит от его минералогического состава, пористости и влажности и обычно колеблется в пределах 1,60...2,1 г/см³. Меньшие значения относятся к высокопористым маловлажным грунтам, а высокие значения характерны для грунтов плотных и влажных.

Плотность грунта обычно определяют взвешиванием образца, отобранного из монолита в режущее тонкостенное кольцо, или методом парафинирования образца произвольной формы.

Весовая влажность грунта W – отношение веса влаги, содержащейся в порах грунта, к весу твердого вещества (скелета грунта), выраженное в %:

. (1.10)

Определяют весовую влажность взвешиванием образца грунта природной влажности и того же образца – после удаления влаги высушиванием при температуре +105^оС. По разности весов узнают вес влаги, а высушенный грунт дает возможность определить вес скелета. Значения природной весовой влажности W различных грунтов колеблются в очень широких пределах - от единиц до сотен процентов.

Высокие значения влажности свойственны малоуплотненным водонасыщенным глинистым грунтам, низкие – маловлажным крупнообломочным, песчаным и лессовым грунтам.

Располагая вышеуказанными весовыми показателями для реальных грунтов, можно перейти к определению характеристик, наиболее важных для оценки свойств грунтов: плотность сухого грунта r_d определяется как отношение массы твердых частиц m_s к объему V ₀ грунта до высушивания. Численное значение плотности сухого грунта может быть найдено из выражения

, (1.11)

откуда определяем плотность сухого грунта

. (1.12)

Значение плотности сухого грунта колеблется в пределах 1,1...1,6 г/см³ и зависит от плотности структуры.

Если отношение объема твердых частиц к объему грунта обозначить через

, (1.13)

а пористость n выразить в долях единицы, то

m + n = 1. (1.14)

При этом

, (1.15)

тогда

. (1.16)

В расчетах чаше всего пользуются коэффициентом пористости e, который представляет собой отношение объема пор V_n к объему твердых частиц грунта V_s:

. (1.17)

По значению коэффициента пористости классифицируют плотность сложения песчаных грунтов (табл.1.4).

Степень влажности, или коэффициент водонасыщения S_r (доли единиц) определяется по формуле

, (1.18)

где W – природная влажность грунта, доли единиц, e – коэффициент пористости; r _s – плотность частиц грунта, г/см³; r _w – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Таблица 1.4

Разновидность песков	Коэффициент пористости е
Пески граве-листые, крупные и средней крупности	Пески мелкие	Пески пылеватые
Плотный Средней плотности   Рыхлый	Менее 0,55 0,55...0,70 включ. Свыше 0,70	Менее 0,60 0,60...0,75 включ. Свыше 0,75	Менее 0,60 0,60...0,80 включ. Свыше 0,80

По коэффициенту водонасыщения S_r крупнообломочные грунты и пески подразделяются на следующие разновидности:

малой степени водонасыщения......... S_r =0...0,50,

средней степени водонасыщения...... свыше 0,50 до 0,80 включительно,

насыщенные водой.............................. свыше 0,80 до 1.

При полном водонасыщении (S_r = 1) зависимость между коэффициентом пористости e и влажностью грунта W имеет вид

. (1.19)

Часто при оценке плотности сложения песчаных грунтов используется показатель, называемый индексом плотности (относительной плотности), который определяется по формуле

, (1.20)

где e _max – коэффициент пористости песчаного грунта в предельно рыхлом состоянии; e _min – коэффициент пористости грунта в предельно плотном состоянии; e – коэффициент пористости песчаного грунта естественного сложения.

По величине J_D песчаные грунты подразделяются на слабоуплотненные (рыхлые) при J_D от 0 до 0,33; среднеуплотненные (средней плотности) при J_D свыше 0,33 и до 0,66, сильноуплотненные при J_D свыше 0,66 и до 1,0.

Лабораторным путем определяются также весьма важные характеристики глинистых грунтов: влажность на границе раскатывания, влажность на границе текучести, число пластичности, показатель текучести.

Дата добавления: 2013-12-13