Лекция 4.

В прошлой лекции мы узнали что грунт- это многокомпонентная динамичная система, выделили четыре компоненты (твердая, жидкая, газовая и биотическая), рассмотрели четыре вида структурных связей в грунтах (кристаллизационная, цементационная, водно-коллоидная и механическая), а так же узнали, в каких видах содержится вода в горных породах. Сегодня мы рассмотрим физико-механические свойства грунтов.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

§ 1. Физические свойства грунтов

К важнейшим физическим свойствам грунтов, определяемым в лабораторных условиях, относят плотность частиц грунта, влажность и плотность (ГОСТ 5180-84).

Плотность частиц грунта ρ_s, г/см³, т/м³, — отношение массы твердых (скелетных) частиц грунта к их объему. Этот показатель характеризует твердую компоненту грунта и зависит от его мине­рального состава. Присутствие в грунте органических веществ сни­жает величину ρ_s.

Для определения плотности частиц грунта в лабораторных усло­виях используют пикнометр (мерную колбу), заполняя ее дистил­лированной водой или, во избежание растворения солей, нейтраль­ной жидкостью (керосин, толуол и др.).

Плотность частиц грунта определяют по формуле:

,

где m₀ — масса сухого грунта, г; m₁ - масса пикнометра с грунтом и водой, г; m₂ — масса пикнометра с водой, г; ρ_b — плотность воды, г/см³.

Средние значения ρ_s песчаных и пылевато-глинистых грунтов следующие (в г/см³): песок — 2,66; супесь — 2,70; суглинок — 2,71; глина — 2,74.

С увеличением содержания в грунте тяжелых минералов плот­ность частиц грунта увеличивается, достигая 3,0—3,4 г/см³ в магма­тических основных породах (габбро, диабаз и др.).

Данные о значении плотности частиц грунта используют для оп­ределения пористости и коэффициента пористости грунтов, а также для ориентировочной характеристики минерального состава.

Влажность природная W, % или доли ед. — отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы.

В лабораторных условиях влажность определяют путем высу­шивания грунта в сушильном шкафу при t=105°C в течение 3-5 часов до постоянной массы (абсолютно-сухого состояния).

Влажность определяют по формуле

где g — масса грунта в бюксе (стаканчике) с крышкой до высушива­ния, г; g_c — то же после высушивания, г; g₀ — масса пустого бюкса с крышкой.

Влажность грунтов зависит от их минерального и фануломет-рического состава, пористости, содержания органических веществ, глубины залегания подземных вод и др. Для глинистых грунтов она может колебаться от 3—5 до 100% и более, во многом определяя их прочность, сжимаемость и другие важнейшие свойства. На свойства других типов грунтов влажность оказывает меньшее влияние.

Плотность грунта ρ, г/см³, т/м³, — отношение массы грунта (включая массу воды в порах) к его объему.

Величина плотности грунтов колеблется в широких пределах: от 1,2—1,3 до 3,5 г/см³ и зависит от минерального состава, пористос­ти, влажности и других показателей. В лабораторных условиях плот­ность грунтов определяют:

1) методом режущего кольца, залавли­ваемого в грунт, и

2) путем взвешивания парафинированных образ­цов грунта в воде и в воздушной среде.

Плотность крупнообломоч­ных грунтов можно установить в полевых условиях с помощью про­ходки небольшого шурфа (вертикальной горной выработки глуби­ной до 0,5 м). Взвесив извлеченный из шурфа грунт и разделив его на объем шурфа, получают значение плотности крупнообломочного Грунта.

Показатели плотности широко используются при инженерно-гео­логической оценке различных типов грунтов.

Остальные показатели физических свойств грунтов определяют­ся расчетным способом.

Плотность сухого грунта ρ_d г/см³, т/м³, — отношение массы грунта (за вычетом массы воды и льда) к его объему:

или ,

где W — естественная влажность, в первом случае — в долях едини­цы, во втором — в процентах.

Значения плотности сухого грунта в песчано-глинистых грунтах колеблются от 1,1 до 1,9 г/см³. Величина ρ_d служит основным пока­зателем, контролирующим степень уплотнения грунтов в земляных сооружениях.

Пористость грунта n, %, — отношение объема пор ко всему объему грунта:

или .

Чем больше показатель n, тем более рыхлый грунт.

Пористость глинистых грунтов колеблется обычно в пределах 40— 60%, в песчаных 30—40, а в илах она может достигать 70—90%. Наи­меньшей пористостью обладают магматические интрузивные и мно­гие метаморфические грунты (от долей процента до 1—3%).

Величина пористости грунтов влияет на сжимаемость, прочность и другие свойства.

Коэффициент пористости е, доли ед., — отношение объема пор к объему твердой части скелета грунта

.

Значение n и е можно преобразовать одно в другое по форму­лам:

;

Коэффициент водонасыщения (степень влажности) S_r, доли ед., — степень заполнения объема пор водой:

где W — природная влажность, доли ед.; е — коэффициент пористо­сти, доли ед.; ρ_s— плотность частиц грунта, г/см3; ρ_w, — плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см³.

В зависимости от степени влажности песчаные и крупнообло­мочные грунты разделяют на водонасыщенные при S_r > 0,8, влаж­ные — при 0,5 < S_r < 0,8 и маловлажные — при 0 < S_r < 0,5.