4Свойства грунтов

Для того чтобы запроектировать надежный и экономичный фундамент или разработать эффективные противооползневые мероприятия, необходимо подробно изучить характер напластований грунтов и правильно оценить их свойства. Для решения таких задач перед началом проектирования всегда проводятся инженерно-геологические изыскания. Они включают бурение скважин, отбор образцов грунта, лабораторную обработку таких образцов, а в ряде случаев – полевые испытания грунтов. При этом отбираемые образцы глинистых грунтов должны иметь ненарушенную структуру, т.е. все их свойства должны строго соответствовать состоянию естественного залегания таких грунтов, в противном случае получаемые результаты нельзя использовать при расчетах оснований. Образцы ненарушенной структуры называются монолитами.

Н а основе описанных работ составляется отчет об инженерных изысканиях, в котором подробно описывается, какие виды грунтов залегают на осваиваемом участке строительства, как они залегают, и какие свойства у каждого вида грунта. Оценка грунтов производится в соответствии со строительными нормативными документами, которые устанавливают систему стандартных характеристик грунта, отражающих его свойства. Разделяют три вида свойств:

• физические,

• механические,

• особые (специфические).

4.3Физические свойства грунта

Физические свойства грунта отражают его состав, состояние, соотношение составных частей. В основном это – плотность, влажность пористость, консистенция и проч. На рис. 7 приведены обозначения объемов и масс компонентов грунта, которые используются ниже.

Различают следующие характеристики плотности:

• плотность (ρ) – отношение массы грунта m к его объему V, т.е. ρ= m/V;

• плотность твердых частиц (ρ_s) – отношение массы твердых частиц грунта m_s к объему твердых частиц V_s, т.е. ρ_s= m_s / V_s ;

• плотность сухого грунта (ρ_d) – отношение массы твердых частиц грунта m_s к общему объему грунта V, т.е. ρ_d= m_s / V;

Если используется не масса, а вес, то характеристики именуются соответственно:

• удельный вес грунта, γ = ρ·g;

• удельный вес твердых частиц грунта, γ_s = ρ_s ·g;

• удельный вес сухого грунта γ_d = ρ_d ·g;

где g = 9,81 м/с² – ускорение силы тяжести.

Полезно знать, что в отечественной литературе до 80-х годов «удельный вес» именовался «объемным весом», а термин «удельный вес» соответствовал нынешнему термину «удельный вес твердых частиц», «удельный вес сухого грунта» именовался «объемным весом скелета грунта».

В расчетах оснований используются в основном не плотности, а удельные веса γ, γ_s , γ_d. При этом размерностями удельных весов чаще всего служат кН/м³, размерности плотности – т/м³.

Доля пор может оцениваться двумя характеристиками:

• пористость, n – отношение объема пор V_пор к общему объему V, т.е. n = V_пор / V;

• коэффициент пористости, е – отношение объема пор V_пор к объему твердых частиц V_s, т.е. n = V_пор / V_s;

Чаще всего используется коэффициент пористости е.

Содержание воды в грунте оценивается двумя характеристиками:

• влажность (природная влажность), w – отношение массы воды m_w к массе твердых частиц грунта m_s, т.е. w = m_w / m_s;

• коэффициент водонасыщения, S_r – доля заполнения пор грунта водой, т.е. отношение фактической влажности грунта w к его влажности в состоянии полного водонасыщения w_sat (при той же пористости). S_r = w / w_sat.

Ранее коэффициент водонасыщения назывался «степенью влажности».

Состояние глинистого грунта (его пластичность, консистенция) не определяется одной лишь влажностью w. На него оказывают влияние многие факторы физико-химической природы (количество глинистых частиц, их структура, минералогический состав и проч.), так что при одной и той же влажности w глинистые грунты разных площадок могут иметь совершенно различную консистенцию, различную пластичность. По этой причине для каждого конкретного глинистого грунта определяются две дополнительные характеристики влажности:

• влажность на границе раскатывания w_р , при которой грунт теряет пластичность и начинает приобретать сходство с твердым телом: крошится при попытке его раскатывания в шнур диаметром 2…3мм;

• влажность на границе текучести w_L , при которой грунт начинает приобретать сходство с жидкостью: стандартный конус (массой 76г) погружается в грунт с такой влажностью на 10мм за 5с.

Иногда величины w_р, w_L называются соответственно нижним и верхним пределами пластичности.

Для определения w_р, w_L из исследуемого грунта приготовляется глинистая паста, влажность которой доводится (путем добавления в нее воды или высушивания) до значений, соответствующих w_р, и w_L. Схема балансирного конуса для определения влажности на границе текучести w_L приведена на рис. 8.

Величина I_p = w_L – w_р, называется числом пластичности. Она используется как классификационный показатель, характеризующий вид глинистого грунта:

I_p = 1…7 – супесь,

I_p = 7…17 – суглинок,

I_p > 17 – глина.

Величина

(1)

называется показателем текучести. I_L представляет важнейший классификационный показатель, характеризующий состояние (консистенцию) грунта. Глины и суглинки подразделяются следующим образом:

I_L < 0 – твердые,

I_L = 0…0,25 – полутвердые,

I_L = 0,25…0,5 – тугопластичные,

I_L = 0,5…0,75 – мягкопластичные,

I_L = 0,75…1,0 – текучепластичные,

I_L > 1 – текучие.

Для супесей установлена более простая классификация:

I_L < 0 – твердые,

I_L = 0…1 – пластичные,

I_L > 1 – текучие.

Несвязные грунты (пески, гравелистые грунты и т.д.) характеризуются гранулометрическим составом, определяемым путем просеивания грунта через систему сит и взвешивания остатков на каждом сите. Пески разделяются по крупности на гравелистые (частиц более 2мм более 25%), крупные (частиц более 0,5мм более 50%), средней крупности (частиц более 0,25мм более 50%), мелкие (частиц более 0,1мм более или равно 75%) и пылеватые (частиц более 0,1мм менее 75%). При установлении названия песка сначала рассматривается возможность его отнесения к более крупной разновидности. Например, если частицы более 0,5мм составляют 55% (т.е. более 50%), то песок относят к крупному, хотя формально частиц более 0,25мм в нем тоже более 50%, и условие его принадлежности к пескам средней крупности тоже удовлетворяется (все частицы более 0,5мм естественно превышают 0,25мм).

Частицы размером более 20см относят к валунам (при неокатанной поверхности – к глыбам). При размере частиц 1…20 см их считают галечниковыми (при неокатанной поверхности – щебнем), при 0,2…1см – гравийными (при неокатанной поверхности – дресвяными), при размере менее 0,2 см – песчаными. Название несвязного грунта устанавливается в зависимости от превалирующего размера частиц, доля которых превышает 50%. Если доля гравийных частиц превышает 50% грунт относят к гравийному, песчаные – к пескам и т.д.

Прочие характеристики несвязных грунтов определяются не всегда, так как отбор монолитов из таких грунтов представляет технически сложную задачу, требующую специального оборудования, которое не всегда имеется у изыскателей.

В случаях, когда удается определять коэффициент пористости, пески разделяются по плотности сложения (не смешивать с плотностью γ!) на плотные, средней плотности и рыхлые. Критериями служат крупность песка и коэффициент пористости е (в ГОСТе имеется соответствующая таблица). Например, пески гравелистые, крупные и средней крупности с коэффициентом пористости 0,55… 0,7 относятся к средней плотности, при е < 0,55 – к плотным, при е > 0,7 – к рыхлым.