1.4.2. Физические свойства грунтов
Свойства грунтов следует характеризовать количественными показателями, которые зависят от состава, строения и состояния грунтов. Они определяются из опытов, чаще всего с образцами грунта, отобранными в полевых условиях с сохранением природной структуры и влажности. Соответствие полученных таким образом характеристик состояния грунта, залегающего в основании сооружения, является одним из важнейших условий точности инженерных прогнозов.
Рассмотрим лишь те характеристики грунтов, которые определяют их физические свойства. Физическое состояние грунтов определяется в основном тремя характеристиками: плотностью грунта , плотностью минеральных частиц и влажностью грунта . Остальные характеристики являются расчетными с использованием этих трёх.
Представим себе некоторый единичный объём грунта V , состоящий из твёрдого, жидкого и газообразного компонентов, каждый из которых имеет соответствующие объём и массу (рис. 1.5).
Плотность грунта
– отношение массы грунта к его объёму, имеет размерность г/см 3 , т/м 3:
 |
. (1.1)
Плотность грунта зависит от его минералогического состава, пористости и влажности и меняется в пределах 1,5 ÷ 2,4 г/см 3 . Она определяется методом режущего кольца с известным объёмом или парафинирования образца произвольной формы. Плотность является важной характеристикой грунта и используется при расчётах несущей способности основания, природного давления грунта, давления грунта на подпорные стенки, устойчивости оползневых склонов и откосов.
Плотность частиц грунта – отношение массы твёрдых частиц к их объёму
= , (1.2)
зависит только от их минералогического состава. Для грунтов она меняется от 2,4 до 3,2 г/см 3 , в том числе для песков – от 2,55 до 2,66 г/см 3 , для супесей – от 2,66 до 2,68 г/см 3 , для суглинков – от 2,68 до 2,72 г/см 3 , для глин – от 2,71 до 2,76 г/см 3 . Плотность частиц определяется при помощи пикнометра.
Влажность грунта – отношение массы воды к массе твёрдых частиц, выражается в процентах или в долях единицы
 |
W = (1.3)
и определяется высушиванием образца грунта в термостате при температуре 105 ºC до достижения стабильной массы высушенного грунта. Природная влажность грунтов меняется в широких пределах от единиц до сотен процентов. Высокие значения влажности свойственны малоуплотненным водонасыщенным глинистым грунтам, низкие – маловлажным крупнообломочным, песчаным и лессовым грунтам.
Приведенные выше основные физические характеристики грунта , , всегда определяются экспериментально. Они используются для расчета других, указанных ниже, характеристик.
Плотность сухого грунта или плотность скелета грунта определяется как отношение массы частиц грунта ко всему объёму грунта:
Используя выражения (1.1) и (1.3), можно записать
Сравнение естественной влажности грунта с влажностью на границе раскатывания позволяет устанавливать его состояние по показателю текучести
,
(1.11)
по которому глинистые грунты подразделяются на следующие разновидности:
твердая...................
<
0
пластичная.............от 0 до 1 включительно
текучая....................>1
Суглинки и глины:
твердые................................
<
0
полутвердые........................от 0 до 0,25
тугопластичные..................от 0,25 до 0,5
мягкопластичные................от 0,5 до 0,75
текучепластичные...............от 0,75 до 1
текучие.................................>1
Максимальная плотность и оптимальная влажность грунта
В процессе возведения земляных сооружений и планировки территорий приходится уплотнять грунты. При этом повышается прочность грунта, понижаются его водопроницаемость и капиллярность. Максимальная степень уплотнения необходима в верхних слоях насыпи, в которых возникают наибольшие напряжения от внешних нагрузок.
Степень уплотнения
оценивается величиной коэффициента
уплотнения. Уплотняя грунты с разной
влажностью одной и той же работой
уплотнения, получают различные значения
величины плотности сухого грунта.
Влажность, при которой достигается
максимальная плотность сухого грунта
при стандартном уплотнении, называетсяоптимальной
W
opt
.
В лабораторных
условиях W
opt
и
определяют, используя прибор Союздорнии
(рис. 1.7). Метод заключается в установлении
зависимости плотности сухого грунта
от его влажности при уплотнении образцов
грунта с постоянной работой уплотнения
и последовательном увеличении влажности
грунта. Проводят не менее 5 – 6 опытов
при разной влажности грунтов. Грунт
уплотняют в стакане прибора послойно
ударами груза массой 2,5 кг, падающего с
высоты 30 см. Каждый слой грунта (всего
3 слоя) уплотняют 40 ударами. После
уплотнения в каждом опыте определяют
и
и строят график завис
имости
(рис. 1.8).
По графику определяют
влажность, при которой стандартным
уплотнением достигается максимальная
плотность сухого грунта
.
Степень уплотнения земляного сооружения
оценивается величиной коэффициента
уплотнения
,
(1.12)
где
–
коэффициент уплотнения грунта земляного
сооружения;
–
плотность сухого грунта;
–
максимальная плотность того же сухого
грунта при стандартном уплотнении.
Величина
задается проектом земляного сооружения
в диапазоне от 0,92 до 1,00.
1.Определение грунта по ГОСТ 25100-95.
2.Какие существуют генетические типы континентальных отложений?
3.Из чего состоят грунты?
4.Что понимается под структурой и текстурой грунта?
5.Каковы особенности глинистых минералов?
6.В каком виде в грунтах встречается вода?
7.Какие структурные связи существуют в грунтах?
8.Каковы размеры крупнообломочных, песчаных, пылеватых и глинистых частиц?
9.Что называется гранулометрическим составом грунта?
10.Как определить коэффициент неоднородности грунта?
11.Какие физические характеристики грунта являются основными?
12.Как классифицируются песчаные грунты?
13.Что называется числом пластичности?
14.Как классифицируются связные грунты?
15.Что такое показатель текучести? В каких пределах он изменяется?
16.Для чего служит метод стандартного уплотнения грунта?
Пылевато-глинистые грунты в зависимости от количества содержащейся в них воды могут иметь консистенцию (густоту теста) от твердой до текучей. Для определения консистенции находят характерные влажности пылевато-глинистых грунтов, которые называются границей раскатывания и границей текучести .
Границей раскатывания называется влажность грунта, при которой он теряет способность раскатываться в шнур диаметром 2..3 мм.
Границей текучести называется влажность грунта, при которой стандартный конус погружается в образец на глубину 10 мм.
Рис. 1.4. Определение границы раскатывания грунтов
Числом пластичности грунта называется разность между границей текучести и границей раскатывания:
(1.18)
Консистенция пылевато-глинистого грунта оценивается по показателю текучести :
(1.19)
Таблица 1.5. Состояние глин и суглинков
Для супесей вследствие малой точности определения значений и различают только три состояния: твердое, пластичное и текучее.
Таблица 1.6. Состояние супесей
В группе пылевато-глинистых грунтов выделяются лессовые грунты и илы - обладают специфическими неблагоприятными свойствами.
Лессовые грунты содержат более 50% пылеватых частиц с наличием солей, в основном карбоната кальция, обладают преимущественно макропористой структурой и относятся к категории структурно-неустойчивых просадочных грунтов. Просадкой называется быстро развивающаяся осадка, вызванная резким изменением структуры грунта. Значительные осадки при нарушении структуры просадочных грунтов обусловлены тем, что в природных условиях они бывают недоуплотненными. В процессе их образования не происходит полного уплотнения от действия собственного веса вследствие образования новых структурных связей. Такие грунты становятся макропористыми и при некоторых внешних воздействиях (замачивание, вибрация), разрушающих возникшие связи, могут доуплотняться, что вызывает их значительные осадки. Возможность проявления просадочных свойств грунтов предварительно оценивается степенью их влажности и показателем просадочности , который определяется по формуле:
где: е - коэффициент пористости природного грунта; - коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе текучести (1.16).
Глинистые грунтыявляются одним из наиболее распространенных типов горных пород. В состав глинистых грунтов входят очень мелкие глинистые частицы, размер которых меньше 0,01 мм и песчаные частицы. Глинистые частицыимеют форму пластин или чешуек.Глинистые грунты имеют большое количество пор.Отношение объема пор к объему грунта называется пористостью и может колебаться от 0,5 до 1,1. Пористость характеризует степень уплотнения грунта.Глинистый грунт очень хорошо поглощает и удерживает воду, которая при замерзании превращается в лед и увеличивается в объеме, увеличивая объем всего грунта. Это явление называется пучением. Чем больше в грунтах содержится глинистых частиц, тем сильнее они подвержены пучению.
Глинистые грунты обладают свойством связанности, которое выражается в способности грунта сохранять форму благодаря наличию глинистых частиц. В зависимости от содержанияглинистых частиц грунтыклассифицируют на глину, суглинки и супеси.
Способность грунта деформироваться под действием внешних нагрузок без разрываи сохранять форму после прекращения нагрузки называется пластичностью.
Число пластичности Ip — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания W p , W L и W p определяют по ГОСТ 5180.
Таблица 1. Классификация глинистых грунтов по содержанию глинистых частиц.
|
Грунт |
частиц по массе, % |
Число пластичности Ip |
|
Суглинок |
||
Число пластичности глинистых грунтов определяет их строительные свойства: плотность, влажность, сопротивление сжатию. С уменьшением влажности плотность возрастает и сопротивление сжатию увеличивается. С увеличением влажности плотность уменьшается и сопротивление сжатию также уменьшается.
Супесь содержит не более 10 % глинистых частиц, остальной объем этого грунта составляют песчаные частицы. Супесь практически не отличается от песка. Супесь бывает двух видов: тяжелая и легкая. Тяжелая супесь содержит от 6 до 10% глиняных частиц, в легкой содержание глинистых частиц от 3 до 6%.. При растирании супеси на влажной ладони можно увидеть частицы песка, после стряхивания грунта на ладони видны следы от глинистых частиц. Комки супеси в сухом состоянии легко рассыпаются и крошатся от удара. Супесь почти не скатываются в жгут. Шар, скатанный из увлажненного грунта, при легком давлении рассыпается.
Из-за высокого содержания песка супесь имеет сравнительно низкую пористость – от 0,5 до 0,7 (пористость — отношение объема пор к объему грунта), поэтому она может содержать меньше влаги и, следовательно, быть меньше подвержена пучению. Чем меньше пористость сухой супеси, тем больше ее несущая способность: при пористости 0,5 равна 3 кг/см 2 , при пористости 0,7 – 2,5 кг/см 2 . Несущая способность супеси не зависит от влажности, поэтому этот грунт можно считать непучинистым.
Грунт, в котором содержание глинистых частиц достигает 30% от веса, называют суглинком. В суглинке, как и в супеси содержание песчаных частиц больше, чем глинистых. Суглинок обладает большей связанностью, чем супесь и может сохраняться в крупных кусках, не распадаясь на мелкие. Суглинки бывают тяжелыми (20% -30% глинистых частиц) и легкими (10% — 20% глинистых частиц).
Куски грунта в сухом состоянии менее тверды, чем глина. При ударе рассыпаются на мелкие куски. Во влажном состоянии мало пластичны. При растирании чувствуются песчаные частицы, комки раздавливаются легче, присутствуют более крупные песчинки на фоне более мелкого песка. Жгут, раскатанный из сырого грунта, получается коротким. Шар, скатанный из увлажненного грунта, при нажатии образует лепешку с трещинами по краям.
Пористость суглинка выше, чем супеси и колеблется от 0,5 до 1. Суглинок может содержать больше воды и, следовательно, больше, чем супесь, подвержен пучению.
Суглинки отличаются достаточно высокой прочностью, хотя подвержены к небольшой просадке и образованию трещин. Несущая способность суглинка – 3 кг/см 2 , в увлажненном – 2,5 кг/см 2 . Суглинки в сухом состоянии являются непучинистыми грунтами, При увлажнении глинистые частицы впитывают воду, которая в зимнее время превращается в лед, увеличиваясь в объеме, что приводит к пучению грунта.
В состав глины входят больше 30% глинистых частиц. Глина имеет большую связанность. Глина в сухом состоянии — твердая, во влажном — пластичная, вязкая, прилипает к пальцам. При растирании пальцами песчаных частиц не чувствуется, раздавить комки очень трудно. Если кусок сырой глины разрезать ножом, то срез имеет гладкую поверхность, на которой не видно песчинок. При сдавливании шарика, скатанного из сырой глины, получается лепёшка, края которой не имеют трещин.
Пористость глины может достигать 1,1, она сильнее всех остальных грунтов подвержена морозному пучению. Глина в сухом состоянии имеет несущую способность 6 кг/см 2 , Глина, насыщенная водой, зимой может увеличиваться в объеме на 15%, теряя несущую способность до 3 кг/см 2 . При насыщении водой глина может перейти из твердого состояния в текучее.
В таблице 2 приведены способы, с помощью которых можно визуально определить вид и характеристики глинистых грунтов.
Таблица 2. Определение механического состава глинистых грунтов.
|
Наименование грунта |
Вид в лупу |
Пластичность |
|
Однородный тонкий порошок, частиц песка почти нет |
Раскатывается в жгут и свертывается в кольцо |
|
|
Суглинок |
Преобладает песок, частиц глины 20 – 30% |
При раскатывании получается жгут, при свертывании в кольцо распадается на части |
|
Преобладают частицы песка с небольшой примесью частиц глины |
При попытке раскатывания жгут распадается на мелкие |
Большинство глинистых грунтов в природных условиях в зависимости от содержания в них воды могут находиться в различном состоянии. Строительный стандарт (ГОСТ 25100-95 Классификация грунтов) определяет классификацию глинистых грунтов в зависимости от их плотности и влажности. Состояние глинистых грунтов характеризует показатель текучести IL — отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp , к числу пластичности Ip. В таблице 3 приведена классификация глинистых грунтов по показателю текучести.
Таблица 3. Классификация глинистых грунтов по показателю текучести.
|
Разновидность глинистого грунта |
Показатель текучести |
|
Супеси: |
|
|
пластичные |
|
|
Суглинки и глины: |
|
|
полутвердые |
|
|
тугопластичные |
|
|
мягкопластичные |
|
|
текучепластичные |
|
По гранулометрическому составу и числу пластичности Ip глинистые группы подразделяют согласно таблице 4.
Таблица 4. Классификация глинистых грунтов по гранулометрическому составу и числу пластичности
|
Число пластичности |
частиц (2-0,5мм), % по массе |
|
|
Супесь: |
||
|
песчанистая |
||
|
пылеватая |
||
|
Суглинок: |
||
|
легкий песчанистый |
||
|
легкий пылеватый |
||
|
тяжелый песчанистый |
||
|
тяжелый пылеватый |
||
|
Глина: |
||
|
легкая песчанистая |
||
|
легкая пылеватая |
||
|
Не регламентируется |
||
По наличию твердых включений глинистые грунты подразделяют согласно таблице 5.
Таблица 5. Содержание твердых частиц в глинистых грунтах .
|
Разновидность глинистых грунтов |
|
|
Супесь, суглинок, глина с галькой (щебнем) |
|
|
Супесь, суглинок, глина галечниковые (щебенистые) или гравелистые (дресвяные) |
Среди глинистых грунтов должны быть выделены:
Грунт заторфованный;
Просадочные грунты;
Набухающие (пучинистые) грунты.
Грунт заторфованный – песок и глинистый грунт, содержащий в своем составе в сухой навеске от 10 до 50 % (по массе) торфа.
По относительному содержанию органического вещества Ir глинистые грунты и пески подразделяют согласно таблице 6.
Таблица 6.Классификация глинистых грунтов по содержанию органических веществ
|
Разновидность грунтов |
Относительное содержание органического вещества Ir, д. е. |
|
Сильнозаторфованный |
|
|
Среднезаторфованный |
|
|
Слабозаторфованный |
|
|
С примесью органических веществ |
Грунт набухающий — грунт, который при замачивании водой или другой жидкостью увеличивается в объеме и имеет относительную деформацию набухания (в условиях свободного набухания) больше 0,04.
Грунт просадочный — грунт, который под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки e sl ³ 0,01.
В зависимости от просадки и собственного веса при замачивании просадочные грунты подразделяются на два типа:
По относительной деформации просадочности e sl глинистые грунты подразделяют согласно таблице 7.
Таблица 7. Относительная деформация просадочности глинистых грунтов.
|
Разновидность глинистых грунтов |
Относительная деформация просадочности e sl, д. е. |
|
Непросадочный |
|
|
Просадочный |
Грунт пучинистый — дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения e fn ³ 0,01. Эти грунты не пригодны для строительства, их необходимо удалить и заменить грунтом с хорошей несущей способностью
По относительной деформации набухания без нагрузки e sw глинистые грунты подразделяют согласно таблице 8.
Таблица 8. Относительная деформация набухания глинистых грунтов.
|
Разновидность глинистых грунтов |
Относительная деформация набухания без нагрузки e sw, д. е. |
|
Ненабухающий |
|
|
Слабонабухающий |
|
|
Средненабухающий |
|
|
Сильнонабухающий |
Песок I P < 1
Супесь 1≤ I P < 7
Суглинок 7 ≤ I P < 17
Глина I P ≥ 17
Определяем тип исследуемого грунта.
Е. Показателем текучести глинистого грунта I L называют числовую характеристику, показывающую в каком состоянии находится грунт в условиях естественного залегания.
Ранее определены:
Природная влажность грунта W tot [%]
Влажность на границе текучести W L [%]
Влажность на границе раскатывания W P [%]
I L = (W - W P) /(W L – W P)
Состояние пылевато-глинистого грунта по консистенции определяется следующим образом:
Супеси твердые I L ≤ 0
– пластичные 0 < I L < 1
– текучие I L ≥ 1
Суглинки и глины твердые I L ≤ 0
– полутвердые 0 < I L ≤ 0,25
– тугопластичные 0,25 < I L ≤ 0,5 – мягкопластичные 0,5 < I L ≤ 0,75
– текучие 0,75 < I L
Определяем состояние исследуемого грунта.
З. Назначение расчетного сопротивления грунта R o .
Ранее определены:
Тип грунта по пластичности I P [дол.ед.]
Коэффициент пористости e [дол.ед.]
Показатель консистенции I L [дол.ед.]
Для пылевато-глинистых грунтов расчетное сопротивление грунта определяется по таблице.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА ЕСТЕСТВЕННОГО ОТКОСА
ПЕСЧАНОГО ГРУНТА
Углом естественного откоса α называют максимальный угол, при котором неукрепленный откос песчаного грунта сохраняет равновесие.
Угол естественного откоса песчаного грунта определяется в воздушно-сухом и подводном состояниях. Величина угла естественного откоса используется в расчетах объемов земляных работ, а самое главное, в расчетах прочности и устойчивости грунтов, давления их на ограждения и пр. Кроме того, угол естественного откоса может служить признаком наличия у песчаных грунтов, содержащих свободные коллоиды, плывунных свойств (угол естественного откоса в подводном состоянии у таких грунтов колеблется от 0 о до 12-14 о).
Принадлежности:
1. Прибор для определения углов естественного откоса (рис.) дисковый прибор
2. Прибор Д.И.Знаменского УВТ-3М
3. Масштабная линейка.
4. Уровень.
Порядок выполнения работы:
Образец воздушно-сухого песка объемом, примерно, 1 кг. Просеивают сквозь сито с диаметром отверстий 5 мм. И тщательно перемешивают. Кроме прибора Д.И. Знаменского, определения угла естественного откоса можно выполнить с помощью диска, имеющего вертикальный тарированный стержень. На такой диск сверху одевается приспособление сверху отверстием, засыпается песком, а затем очень плавно снимаем это приспособление. Излишек песка осыпается, а в диске остается конус из песка. Вершина которого в месте соприкосновения со стрежнем показывает значение угла откоса.
Измеряют высоту h и основание l откоса с точностью до 1 мм. Угол естественного откоса вычисляют (с точностью до 30 мин.) по формуле:
tg α = ; α = arc tg
Для каждого образа песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии производят не менее трех определений угла естественного откоса. Расхождение между повторными определениями больше чем на 2˚ не допускается. За угол естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии принимают среднее арифметического значение результатов отдельных определений, выраженное в целых градусах.
Последовательность записи результатов определения:
1. Наименование вида песчаного грунта
2. Определение угла естественного откоса
Приложение 1 лаб.работе №1
Твердость минералов
Классификация магматических горных пород по SiO 2
| Состав пород | Породы |
||
| содержание диоксида SiO 2 (%) | минералы | глубинные | излившиеся (аналоги глубинных) |
| Кислые породы (75-65) | Кварц, полевые шпаты (чаще ортоклаз), слюды | Граниты | Кварцевый порфир, липарит |
| Средние породы (65-52) | Полевые шпаты (чаще ортоклаз, роговая обманка, биотит) | Сиениты | Ортоклазовый порфир, трахит |
| Плагиоклазы, роговая обманка, биотит | Диориты | Порфирит, андезит | |
| Основные породы (52-40) | Плагиоклазы (чаще лабрадор), авгит, иногда оливин | Габбро | Диабаз, базальт |
| Ультраосновные породы (менее 40) | Авгит | Пироксениты | - |
| Авгит, оливин, рудные минералы | Перидотиты | - | |
| Оливин, рудные минералы | Дуниты | - | |
Приложение 2 лаб.работе №1
