1. Показатели физического состояния грунтов

Для оценки строительных свойств грунтов используются основные и расчетные характеристики физических свойств грунтов. Основные характеристики физических свойств грунтов определяются в лабораторных условиях. К ним относятся:

- плотность (г/см³),

- плотность твердых частиц грунта ,

- природная влажность грунта W %,

- гранулометрический состав,

- влажность на границе раскатывания ,

- влажность на границе текучести .

Характеристики физических свойств (и основные и расчетные) выражают физическое состояние грунтов и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям.

Плотность грунта – отношение массы грунта к его объему в естественном состоянии, определяется методом режущего кольца или методом парафинирования:

Плотность твердых частиц – отношение массы твердых частиц к их объему (опр. Экспериментально–пикнометрическим методом):

Влажность - отношение массы воды к массе твердых частиц (методом высушивания образца до постоянной массы при t⁰ = 105…110⁰):

Относительное содержание в скелете частиц различных размеров (в %) называют зерновым, гранулометрическим или механическим составом грунта. Частицы грунта по крупности разделяют на фракции (СТБ 943-93). Большинство естественных грунтов представляют собой смеси различных фракций, а многие грунты содержат, кроме того, примеси органических веществ (гумуса). Грунты получают названия по тем фракциям, которые в основном определяют их свойства. Обычно, эти фракции являются преобладающими по количественному содержанию в грунте

Расчетные характеристики определяются на базе основных:

- плотность сухого грунта:

- коэффициент пористости – отношение объема пор к объему твердых частиц:

- степень влажности (относительная влажность) (S_r) – степень заполнения пор грунта водой, характеризуется отношением объема воды к объему пор грунта:

или

- индекс пластичности (J_p ) – коррелятивно связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц и служит классификационным показателем для отнесения глинистого грунта к: - супесь, - суглинок, - глина;

- индекс текучести (показатель консистенции) J_L –характеризует состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от естественной влажности, может быть отрицательным, положительным и больше единицы:

2. Механические характеристики грунтов

Механическими называют свойства, которые оказывают решающее влияние на деформацию и прочность грунта под нагрузкой. Механические свойства оцениваются прочностными и деформационными характеристиками.

Деформации грунтов под нагрузкой сопровождаются сложными процессами. Эти процессы приводят к деформациям, которые делят на упругие, т.е. исчезающие после снятия нагрузки, и остаточные.

Свойство	Закон	Показатели	Практическое применение
1. сжимаемость	уплотнения	коэф.сжимаемости: m0, mv	расчет осадок
2. водопроницаемость	ламинарной фильтрации или закон Дарси	kf – коэффициент фильтрации	прогноз скорости осадок
3. сопротивление сдвигу	закон Кулона (условия прочности)	с – сцепление - угол внутреннего трения	расчет прочности и устойчивости грунтов
4. деформируемость	принцип линейной деформируемости	Е и	определение деформации

Сжимаемость – способность грунтов изменять свое строение под нагрузкой за счет уменьшения пористости. Определение основных показателей сжимаемости грунтов производится путем их уплотнения под нагрузкой без возможности бокового расширения в условиях одномерной задачи. При такой схеме нагрузки деформации могут развиваться только по одной оси Z. Испытания проводятся в жестком кольце (одометр). Нагрузка прикладывается ступенями 0,1, 0,25, 0,5, 1, 2, 4 кг/см² . Строится график зависимости е – Р, который называется компрессионной кривой. Если принять небольшой интервал давлений, который обычно имеет место в основаниях зданий и сооружений (100…300 кПа), то криволинейный участок компрессионной кривой можно без погрешности принять прямолинейным.

По графику определяют –коэффициент сжимаемости. Формулировка первого закона механики грунтов: При небольших изменениях уплотняющего давления изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.

Сжимаемость грунтов оценивается коэффициентом относительной сжимаемости или модулем деформации Е, которые определяют лабораторными или полевыми методами испытания грунта. m_ν – коэффициент относительной сжимаемости, который определяется: ,

Физический смысл этой величины m_ν: т.е. m_ν равен относительной осадке, приходящейся на единицу давления.Модуль деформации Е представляет собой коэффициент пропорциональности между напряжениями и общими деформациями грунта Е= .

Твердые минеральные частицы в грунтах занимают лишь часть его объема. Поэтому в грунтах имеются поры, которые и обуславливают его водопроницаемость. Водопроницаемость характеризуется движением воды, которое происходить под действием давления (напора) в разных сечениях грунта. В грунте содержится вода связанная, свободная, в виде пара или льда. Связанная бывает гигроскопическая (прочносвязная) и пленочная, т.е. когда движение воды в грунте происходит из-за разности астматического давления. Свободная вода бывает гравитационная и капиллярная.

Дарси в 1854 году установил, что объем воды, профильтровавшейся через заполненную песком трубу, прямо пропорционален площади его поперечного сечения, падению напора и обратно пропорционален длине фильтрации на данном участке.

Расход воды:

К_ф – коэффициент фильтрации;

- падение напора;

длина пути фильтрации потока (м);

А – площадь поперечного сечения потока.

Отношение падения напора к дли

не фильтрации – гидравлический

градиент:

- закон Дарси (второй закон механики грунтов): скорость фильтрации пропорциональна гидравлическому градиенту и коэффициенту фильтрации. Коэффициент фильтрации – скорость фильтрации при напорном градиенте равном 1, зависит от гранулометрического состава, пористости (размеров пор), структуры грунта и температуры жидкости.

Прочность грунта обусловлена наличием структурных связей, характеризуемых удельным сцеплением – с, более характерным для глинистых частиц и трением между частицами, характеризуемым углом внутреннего трения – φ более характерным для песчаных частиц. Главная особенность сопротивления грунта сдвигу состоит в том, что оно переменно и зависит от величины внешнего давления. Характеристики с и φ – это основные прочностные показатели грунтов; с их помощью определяются прелельные нагрузки, исследуется устойчивость откосов, определяется давление грунтов на ограждения.

Предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу τ = σ ∙ tgφ– третий закон механики грунтов (закон Кулона) – предельное сопротивление грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. f = tgφ – коэффиуиент внутреннего трения.

Предельное сопротивление связных грунтов сдвигу (закон Кулона) τ = с + σ ∙ tgφ ––предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной консолидации есть функция первой степени от нормального давления.

Четвертый закон механики грунтов (закон уплотнения) – при небольших изменениях давления грунты можно рассматривать как линейно деформируемые тела, т.е. с достаточной для практических целей точностью можно принимать зависимость между общими деформациями и напряжениями для грунтов линейной.