Тема 2. Физические свойства грунтов

Эти свойства характеризуют состав и состояние грунтов. К ним относятся кроме минерального состава плотность, пористость и влажность.

Согласно ГОСТ 25100-82 плотность характеризует отношение массы грунта к занимаемому им объему. В скальных, массивных, нетрещиноватых породах эта величина изменяется в малых пределах и зависит в основном от плотности минералов, входящих в состав породы. В дисперсных песчано-глинистых грунтах плотность зависит также от объема пор и содержания влаги в них, поэтому для этих грунтов существует три показателя плотности.

Плотность влажного грунта или объемная масса грунта в естественном сложении - отношение массы грунта, включая массу воды в порах, ко всему объему грунта; определяется по формуле

ρ = (m_Т + m_В)/(V_Т + V_П), (2)

где ρ - плотность влажного грунта, г/см³; m_т - масса твердых частиц, г; т_В - масса воды, г; V_T - объем твердых частиц, см³; V_П - объем пор, см³.

Для большинства дисперсных грунтов плотность влажного грунта изменяется от 1,5 до 2,2 г/см³. Определение плотности влажного связного грунта производится лабораторным путем методом режущего кольца или методом парафинирования.

Плотность сухого грунта - это отношение массы грунта, исключая массу воды в порах, к занимаемому грунтом объему с сохранением его сложения.

Этот показатель определяется расчетным путем по формуле

ρ_d = ρ/(1 + 0,01W), (3)

где ρ_d – плотность сухого грунта, г/см³; W – естественная влажность грунта, %.

Плотность частиц грунтаρ_s–это отношение массы частиц грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердых частиц. Такая плотность изменятся для большинства дисперсных грунтов от 2,5 до 2,8 г/см³, и косвенно характеризует минеральный состав грунта. Определяется лабораторным путем.

Плотность несвязных раздельно-зернистых песчаных и крупнообломочных грунтов определяется в лаборатории в двух состояниях - предельно рыхлом и предельно плотном. Расчет ведется по формуле

ρ_s = (m – m₀)/V, (4)

где m – масса цилиндра, заполненного грунтом, г; m₀ – масса цилиндра, г; V – объем цилиндра, см³.

В первом случае цилиндр заполняется рыхло насыпанным песком, во втором - с максимальным уплотнением.

Пористость грунта характеризует объем всех пустот в грунте. Для скальных пород пористость составляет доли процента. Для полускальных и трещиноватых она может достигать 10-20 %. В песчано-глинистых грунтах пористость зависит от степени их дисперсности, т.е. суммарной поверхности частиц; она больше у глин и меньше у песков. Пористость торфа очень велика (до 95 %). Пористость выражается двумя показателями: абсолютной пористостью п и коэффициентом пористости е.

Абсолютная пористость –это отношение объема пор к объему всего грунта, выраженное в процентах:

n = (V_П/(V_П + V_Т))·100. (5)

Коэффициент пористости–это отношение объема пор к объему твердых частиц

e = V_П/V_Т, (6)

где V_П – объем пор; V_Т – объем твердых частиц.

Пористость, %, и коэффициент пористости определяют расчетом с помощью показателей плотности ρ_s и ρ_d по формулам:

n = (ρ_s – ρ_d) · 100/ρ_s; (7)

e = (ρ_s – ρ_d)/ρ_d. (8)

Помимо расчета, пористость раздельно-зернистых грунтов, в частности песков, с достаточной точностью может быть определена методом водонасыщения.

Влажность грунта характеризуется общим содержанием воды в грунте. Вода в грунте находится в свободном и связанном состоянии. Количество воды в грунтах непостоянно и зависит от осадков, испарения, положения уровня грунтовых вод, минерального состава. Это количество может изменяться от естественной для данного грунта влажности до полной влагоемкости.

Количество воды, содержащейся в грунте в его природном состоянии, называется естественной или природной влажностью.

Показатели влажности - весовая или естественная влажность W и относительная влажность или степень влажности G.

Весовая или естественная влажность грунта характеризует отношение массы воды к массе абсолютно сухого грунта и представляет собой один из важнейших показателей физических свойств грунта. Она определяется при инженерно-геологических изысканиях в полевых и стационарных лабораториях термовесовым методом. Этот метод (ГОСТ 5180-84) заключается во взвешивании некоторой массы грунта (навески) в специальной таре - бюксе с последующим высушиванием навески в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянной массы и вторичном взвешивании (после высушивания). Расчет производится по формуле

W = (m₁ – m₂) · 100/(m₂ – m₀), (9)

где W - весовая или абсолютная влажность, %; m_l - масса влажного грунта вместе с бюксой; т₂ - масса высушенного грунта; m₀ - масса бюксы.

Для большинства песчано-глинистых грунтов природная влажность изменяется от 7-12% для супесей и суглинков до 50-70 % для тяжелых суглинков и глин в состоянии водонасыщения. Влажность таких грунтов как торф, может превышать 100 %.

Степень влажности (G) представляет собой отношение естественной влажности к полной влагоемкости

G=W/W_П, (10)

и может быть рассчитана по формуле

G=Wρ_s/e. (11)

Полная влагоемкость W_П - это влажность, при которой все поры заполнены водой:

W_П = e/ρ_s. (12)

Водно-физические свойства грунтов

Дисперсные песчано-глинистые грунты, как уже указывалось, могут находиться в различном фазном состоянии - сухом, влажном, водонасыщенном. При увлажнении у грунтов проявляются новые свойства. Глинистые грунты переходят из твердого состояния в пластичное или даже в текучее. Они могут набухать, т. е. увеличиваться в объеме, размокать, теряя сплошность и, превращаясь в бесструктурную массу, налипать на посторонние предметы и т. д. В твердых породах такие свойства не проявляются, однако их прочность может понижаться при взаимодействии с водой. Трещиноватые твердые породы могут поглощать, удерживать или пропускать воду. Указанные свойства возникают только при взаимодействии грунтов с водой и условно называются водными свойствами. К таким свойствам относятся: пластичность, липкость, размокание, набухание, усадка, просадка, водонасыщение, водоотдача, водопроницаемость, размягчение, растворение, выщелачивание.

Пластичность - свойство глинистого грунта менять свою форму без разрыва сплошности под действием внешних усилий и сохранять ее после прекращения действия усилия. Пластичными свойствами грунты обладают в диапазоне влажностей - верхнего W_L и нижнего W_p пределов пластичности. Эти пределы представляют собой граничные влажности, при которых грунт меняет свое состояние (консистенцию), переходя из пластичного в текучее или из пластичного в твердое состояние. Арифметическая разность пределов пластичности называется числом пластичности I_p и служит классификационным показателем для определения вида глинистого грунта. Число пластичности рассчитывают по формуле

I_p = W_L – W_p, (13)

Где W_L - влажность верхнего предела пластичности (граница текучести); W_p - влажность нижнего предела пластичности (граница раскатывания).

Ниже приведена классификация грунтов по числу пластичности I_p, %

Супесь 1<I_p≤7

Суглинок 7<I_p≤17

Глина I_p>17

Определение пределов пластичности производится в лаборатории(см. лаб. работу 6). Верхний предел пластичности определяют погружением до круговой метки в стаканчик с увлажненным грунтом конуса Васильева (ГОСТ 5180-84). Нижний предел пластичности определяют путем раскатывания комка пластичного глинистого грунта в шнур толщиной 3 мм. Если при достижении такой толщины шнур начнет крошиться на отдельные куски, значит, нижний предел достигнут и грунт находится на границе пластичного и твердого состояний. Оба лабораторных определения производятся для того, чтобы установить состояние влажности, соответствующее границам пластичности.

Используя значение пределов пластичности, можно определить состояние или консистенцию грунта в естественном залегании. Для этого необходимо сравнить эти пределы с естественной влажностью грунта и определить показатель текучести I_L по формуле

I_L = (w - w_p) / (w_l – w_p), (14)

где w - естественная влажность грунта, % или доли ед.; w_L и w_p - соответственно верхний и нижний пределы пластичности, % или доли ед.

Если I_L > 0 - грунт находится в твердой консистенции; 0 ≤ I_L ≤ 1 - грунт пластичный; I_L > 1 - грунт в текучем состоянии (для супесей).

Липкость - свойство связного грунта при определенной влажности налипать на различные предметы. Это свойство обусловлено наличием внутренних связей в грунте и возникновением сил отрыва на границе раздела между грунтом и посторонним телом. Липкость проявляется при влажности, соответствующей пределу липкости. Это свойство имеет большое значение при изысканиях для дорожного строительства, гидротехнических работах и т,д.

Размокание - это потеря целостности грунта при взаимодействии с водой, уменьшение его прочности и переход в бесструктурное состояние. Характеризуется скоростью (временем) размокания лабораторного образца в приборе ПРГ.

Набухание - это свойство некоторых глинистых грунтов увеличиваться в объеме при взаимодействии с водой. Степень набухания определяется, с одной стороны, увеличением объема грунта (свободное набухание), а с другой - давлением, которое развивается в грунте при увеличении его объема. В ряде случаев оно достигает 0,3-0,5 МПа и может вызвать в основании сооружения деформации положительного знака. Свободное набухание определяют в лабораторном приборе ПНГ, а давление набухания - в компрессионном приборе.

Усадка - уменьшение объема и линейных размеров грунта при высыхании. Сопровождается появлением трещин усадки и нарушением целостности грунта. Усадку характеризуют показателями линейной, объемной усадки и пределом усадки, т.е. той минимальной влажностью, при которой усадка прекращается. В лаборатории определяют обычно объемную усадку.

Водонасыщением называется способность грунта впитывать и удерживать в себе свободную воду. Это свойство присуще песчано-глинистым и твердым трещиноватым или пористым грунтам (туфы). Скорость водонасыщения зависит от пористости, величины удельной поверхности и гидрофильности грунтов и выражается отношением:

w₀ = m_В/m_c, (15)

где m_В – масса поглощенной грунтом воды; m_c – масса абсолютно сухого грунта.

Водоотдача - способность грунтов свободно отдавать воду. Зависит от величины открытой пористости. Пески, например, обладают хорошей водоотдачей. Так же хорошо отдают воду трещиноватые граниты, известняки. Плохой водоотдачей обладают глины, плывуны. Водоотдачу определяют экспериментально, а для чистых крупных и средних песков она приблизительно равна пористости этих грунтов.

Водопроницаемость - это способность различных грунтов пропускать воду. Она характеризуется коэффициентом фильтрации и зависит от величины гидравлического градиента грунтов и степени их анизотропности, т.е. может быть различной в разных направлениях. Водопроницаемость песков определяют в лабораторных приборах (трубка "Спецгео", прибор Каменского). Коэффициент фильтрации глинистых грунтов устанавливают в процессе полевых гидрогеологических исследований (откачка, налив, нагнетание).