Характеристика физических свойств грунтов

Представим себе некоторый объем трехкомпонентного грунта массой , разделенный на отдельные компоненты, где , , , , , — соответственно объем и масса твердой, жидкой и газообразной компонент грунта (рис. 20). Тогда ; , так как масса газообразной составляющей ничтожно мала и не оказывает влияния на результаты определений.

Рис.20. Схематическое изображение содержания компонента в объеме грунта

В механике грунтов используются следующие основные физические характеристики, определяемые опытным путем:

– плотность грунта , т/м³ ; (2.3)

– плотность частиц грунта , т/м³ ;

– влажность ,

где m - масса в некотором объеме грунта V;

m_s и V_s – масса и объем твердых частиц в некотором объеме грунта V;

m_w и V_w – масса и объем воды в некотором объеме грунта V.

По эти характеристикам рассчитывают производные показатели:

- плотность сухого грунта ; ;

Например:

– пористость ,

где – объем пор в рассматриваемом объеме грунта V;

– коэффициент пористости

; (2.4)

– степень влажности: ,

где – плотность воды;

e – коэффициент пористости.

В расчетах часто используются не плотности, а удельные веса, рассчитываемые умножением плотности на ускорение свободного падения. Соответственно имеем удельный вес грунта , частиц и сухого грунта :

; ; .

Например, если , то .

Если принять объем грунта = 1 м³, то для него по смыслу пористости n – объем пор, а 1 – n = m – объем твердых частиц.

Разрешая (2.4) относительно n, получаем: .

Тогда объем твердых частиц:

(2.5)

Грунт, залегающий ниже уровня подземных вод, испытывает взвешивающее действие воды. При этом вес твердых частиц уменьшается на вес вытесненной ими воды, т.е. на величину . Принимая m по (2.5), получаем:

.

Для большинства грунтов значение близко к 10 кН/м³.

Для глинистых грунтов наряду с влажностью важным является понятие консистенции, характеризующее степень подвижности грунта. По консистенции различают три состояния глинистого грунта: твердое, пластичное и текучее.

По числу пластичности устанавливают вид грунта:

Число пластичности тесно связано с содержанием в грунте глинистой фракции и поэтому используется в классификации:

J_P ≤ 0,07 - супесь, 0,07  J_P ≤ 0,17 - суглинок; J_P > 0,17 – глина. Для большей наглядности классификацию вида грунта по числу пластичности удобно представить в форме диаграммы:

По показателю пластичности устанавливают состояние (консистенцию) грунта. Различают состояния: твердое (0 >I_L ); пластичное ( 0 ≤ I_L < 1); текучее (I_L ≥ 1). Пластичное состояние суглинков и глин подразделяют на полутвердое (твердопластичное), тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное. Прочные грунты находятся, как правило, в состоянии от твердого до тугопластичного. Ниже приводится диаграмма, позволяющая установить состояние пылевато-глинистого грунта по показателю текучести:

Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности, называемые границей раскатывания (нижний предел пластичности) и границей текучести (верхний предел пластичности) .

Число пластичности грунта - разница между границей текучести и границей раскатывания:

;

Показатель текучести глинистого грунта:

.

Состояние грунта удобно характеризовать показателем текучести :

. (2.6)

Из (2.6) видно, что при < и < 0 консистенция твердая; при > и > 1 консистенция текучая.

Для суглинков и глин изменение их свойств в интервале очень существенно и для них в указанном интервале пластичной консистенции состояния детализируются:

< 0,25 – полутвердое; <0,5 – тугопластичное; <0,75 – мягкопластичное; – текучепластичное.

Для супесей, у которых число пластичности мало, во всем интервале остается одно название: супесь пластичная.

Для песчаных грунтов очень важно состояние по плотности сложения: плотное, средней плотности, рыхлое. В последнем состоянии грунт дает большие деформации, особенно при динамических воздействиях.

Имеющиеся опытные данные по отдельным разновидностям песчаных грунтов позволяют установить состояние по плотности с помощью табл. 1.2.

Более объективно плотность сложения по значению можно установить, если данный грунт подвергнуть максимально рыхлой укладке и максимально плотной, определив соответственно и . Тогда, зная для естественного сложения, можно определить относительную плотность или индекс плотности

Таблица 1.2- Состояние песчаных грунтов по плотности

Грунты	Плотность сложения при коэффициенте пористости
	плотные	средней плотности	рыхлые
Пески гравелистые, крупные и средней крупности	<0,55	от 0,55 до 0,70 включ.	>0,70
Пески мелкие	<0,60	от 0,60 до 0,75 включ.	>0,75
Пески пылеватые	<0,60	от 0,60 до 0,80 включ.	>0,80

. (2.7)

При показателе текучести 0< – песок рыхлый; при 0,67< – плотный и при 0,33< – средней плотности.

Наиболее надежно плотность устанавливается статическим или динамическим зондированием.

Для песчаных грунтов, особенно мелких и пылеватых, на строительные свойства влияет коэффициент водонасыщения . В зависимости от пески разделяются на малой степени водонасыщения ( ), средней степени водонасыщения 0,5< и насыщенные водой >0,8.

По характеристикам физического состава и состояния можно определить условное расчетное сопротивление грунта , интегрально характеризующее строительные свойства грунта как основания.

Для песчаных грунтов достаточно знать полное наименование грунта и плотность (табл. 1.3), а для пылевато-глинистых – название, значения и (табл. 1.4).

Таблица 1.3 - Расчетные (условные) сопротивления песчаных грунтов - R₀

Характеристика песка	R0 песка, кПа
	плотного	средней плотности
крупные	600	500
средней крупности:	500	400
Мелкие:
маловлажные	400	300
влажные и водонасыщенные водой	300	200
Пылеватые:
маловлажные	300	250
влажные	200	150
насыщенные водой	150	100

Таблица 1.4 - Расчетные (условные) сопротивления пылевато-глинистых

(непросадочных) грунтов- R₀

Пылевато-глинистые грунты	Коэффициент пористости, е	R0 , кПа при значении IL
		0	1,0
Супеси	0,5	300	300
	0,7	250	200
Суглинки	0,5	300	250
	0,7	250	180
	1,0	200	100
Глины	0,5	600	400
	0,6	500	300
	0,8	300	200
	1,1	250	100