6. Понятие об оптимальной плотности и оптимальной влажности.

Уплотняемость грунтов зависит от их влажности и определяется максимальной плотностью скелета уплотнённого грунта ρd,max и оптимальной влажностью w0.

Эти параметры находятся по методике стандартного уплотнения грунта при различной влажности 40 ударами груза весом 215 Н, сбрасываемого с высоты 30 см. По результатам испытания строится график зависимости плотности скелета уплотнённого грунта ρd от влажности грунта w .

7. Коэффициент пористости и степень влажности грунта и классификация грунтов

по этим показателям.

Понятие пористость и влажность грунта определенным образом связаны друг с другом

• Под пористостью грунтов понимают наличие в них мелких пустот. Пористость грунта может характеризоваться отношением объема пустот (Vn) к объему твердой фазы ( Vs); эта величина называется коэффициентом пористости Е , или приведенной пористостью, и выражается обычно в долях единицы.

Коэффициент рассчитывается по формуле:

e = (ρs/ρ)(1+ ω)-1, где:

ρs – плотность частиц грунта;

ρ – плотность грунта;

ω – влажность грунта

Различают грунты:

• Степень влажности , или степень насыщения Sr (иначе коэффициент насыщения, коэффициент влажности, относительная влажность), характеризует степень заполнения пор водой, т. е. содержание воды в грунте по отношению к объему пор.

Sr> = ω* ρs/(e *ρw), где:

• ω – природная влажность грунта;

• ρs - плотность частиц грунта;

• e – коэффициент пористости грунта;

• ρw – плотность воды.

По величине Sr песчаные грунты подразделяются на три группы

• маловлажные при 0 < Sr ≤ 0,5;

• очень влажные при 0,5< Sr ≤ 0,8 и

• насыщенные водой при Sr > 0,8.

8. Влажность грунта. Метод определения.

Влажность грунта w - отношение массы воды в объеме грунта к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы.

Влажность грунта бывает весовой и объемной.

Весовой влажностью называется отношение веса воды в образце грунта к весу твердых частиц грунта (скелета).

Объемной влажностью называется отношение объема воды в образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта).

Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 % (например у ила, торфа). Поэтому

Влажности грунта определяется методом высушивания до постоянной массы

Влажность грунта следует определять как отношение массы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной массы, к массе высушенного грунта.

Лабораторное определение влажности грунта проходит по ГОСТ 5180-84 МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Определяемая характеристика грунта	Метод определения	Грунты (область применимости метода)
Влажность, в том числе гигроскопическая	Высушивание до постоянной массы	Все грунты
Суммарная влажность	Средней пробой	Мерзлые слоистой и сетчатой криогенной текстуры
Влажность границы текучести	Пенетрация конусом	Пылевато-глинистые
Влажность границы раскатывания	Раскатывание в жгут	То же

9. Состояние сыпучих грунтов по плотности сложения

Из сравнения коэффициента пористости грунта природного сложения е с коэффициентами пористости этого же грунта в самом рыхлом е_maх и в самом плотном е_min состояниях устанавливается показатель плотности сложения I_D: I_D=(е_maх - е)(е_maх - е_min).    (1.13) Значение е_maх определяют при свободном насыпании песка в мерный сосуд, а значение е_min — при максимальном уплотнении песка постукиванием или вибрированием в мерной колбе. В зависимости от значения показателя плотности I_D различают три состояния сыпучего грунта:

Поскольку кварцевые окатанные пески имеют более или менее стабильные значения е_maх и е_min, СНиП рекомендует определять их состояние по плотности сложения, руководствуясь приведенной в нем таблицей коэффициента пористости е. Для нахождения коэффициента е необходимо иметь образец грунта ненарушенной структуры. Отбор образцов песчаного грунта ниже уровня подземных вод требует применения специальной аппаратуры. Состояние грунтов по плотности сложения правильнее определять на основании данных статического или динамического зондирования, полученных с применением стандартных зондов. По сопротивлению, которое оказывает грунт погружению в него зонда, с учетом крупности и обводненности

песка по таблицам СНиПа устанавливают состояние песка.

10. Пластичность грунта - его способность под воздействием внешних сил изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после прекращения этого воздействия.  Пластичностью при определенной влажности и небольших давлениях обладают только глинистые и лёссовые грунты, мергели и мел, торф, почвы и некоторые искусственные грунты. В обычных условиях при небольших внешних нагрузках у других типов грунтов она отсутствует [1,2].  Природа пластичности: В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих природу пластичности грунтов: 

Коллоидная гипотеза (по П.А.Земятченскому) основана на том, что коллоиды, присутствующие в глинах, являются «смазкой» между частицами при их относительном перемещении.

Гидратная гипотеза (по П.А.Рединберу) предполагает наличие тонкой прослойки жидкой дисперсионной среды, толщина которой соответствует минимуму свободной энергии системы. Наличие этой прослойки жидкости в участках коагуляционного сцепления препятствует дальнейшему сближению частиц, поэтому коагуляционные системы пластичны

Показатели пластичности (условно косвенные):

Верхний предел пластичности (W_L) — граничная влажность, при превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее;

Нижний предел пластичности (W_p) — граничная влажность между полутвердым и пластичным состоянием грунта; он характеризует минимальную влажность, при которой частицы способны перемещаться относительно друг друга без нарушения сплошности грунта;

Число пластичности (I_р) — разность в величине влажности грунта при верхнем и нижнем пределах пластичности. Число пластичности показывает диапазон колебаний влажности, в котором грунт обладает пластическими свойствами. Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт

Факторы, определяющие пластичность:

1.Гранулометрический состав	Чем выше дисперсность — тем выше пластичность: пластичные свойства начинают проявляться у частиц диаметром меньше 5 мкм; у фракции 3—2 мкм пластичность выражена слабо; частицы размером 2—1 мкм имеют небольшую пластичность; у частиц менее 1 мкм величина пластичности уже значительная. Наиболее сильно от гранулометрического состава зависит верхний предел пластичности (рис. 1). Столь тесной связи между гранулометрическим составом и нижним пределом пластичности (границей раскатывания в шнур) не наблюдается [1].  Рис. 1.  Зависимость верхнего предела пластичности от содержания в грунте глинистых частиц (по П.Ф. Мельникову) [1].
2. Минеральный состав грунтов	Т.к. различные минералы неодинаково взаимодействуют с водой, пластичность грунтов во многом определяется их минеральным составом. Кроме того, от строения кристаллических решеток минералов зависит форма частиц, которая в свою очередь оказывает влияние на величину пластичности. Наибольшей пластичностью обладают минералы, у которых частицы имеют пластинчатую,чешуйчатую форму. Величина пластичности грунтов больше в том случае, когда в их глинистой фракции содержатся минералы группы монтмориллонита, и меньше при содержании каолинита. Это обусловлено тем, что в случае присутствия в грунте минералов группы монтмориллонита связано со значительным возрастанием дисперсности и гидрофильности грунта [1,2].
3. Присутствие органических веществ	Присутствие в грунте органических веществ и органоминеральных комплексов способствует увеличению связанной воды и воды переходного типа, → пластичность у таких грунтов возрастает [2].
4. Состав обменных катионов	По своей способности увеличивать пластичность грунтов наиболее часто встречаемые катионы располагаются в следующей последовательности: Li+ > Na+ >К+ > Mg2+ > Са2+ > Н+ > Fe3+ > Аl3+.  Эта закономерность соответствует изменению содержания слабосвязанной воды и дисперсности грунтов, которая наблюдается при замещении одних катионов на другие. Влияние на пластичность обменных катионов в пределах одной валентности определяется их гидратационной способностью. Чем больше степень гидратации катионов, тем в большей мере проявляется пластичность грунтов. Пластичность повышается также при увеличении емкости поглощения грунта [1].
5. Cостав и концентрация внешнего раствора	Состав растворенных в воде соединений влияет на состав обменных катионов в грунтах, которые, как показано выше, влияют на пластичность грунтов, а концентрация раствора во многом определяет толщину диффузионного слоя. Присутствие значительного количества солей понижает пределы пластичности грунтов, причем особенно сильно у высокодисперсного грунта (монтмориллонит). Уменьшение пластичности грунтов при большой концентрации солей связано с процессом дегидратации и агрегации грунтовых частиц, сопровождаемых уменьшением диффузного слоя грунтовых мицелл и, естественно, уменьшением содержания слабосвязанной воды в грунтах [1].  Следует отметить, что пластичность глинистых грунтов наблюдается лишь в том случае, когда они замачиваются неорганической полярной жидкостью (водой), [2].

11.  Классификация грунтов по числу пластичности [1]

Наименование видов глинистых грунтов	Число пластичности, %
Супесь	1 < Ip≤7
Суглинок	7 < Ip≤17
Глина	Ip>17

12. Показатель текучести J_L определяется по формуле

(16)

где w - природная влажность грунта в долях единицы.

Показатель текучести используется для определения состояния (консистенции) глинистого грунта по табл. 2.2.

Значения всех вычисляемых характеристик грунта записывают в журнал.

По окончании лабораторной работы определяют наименование и состояние глинистого грунта, а также его расчетное сопротивление по табл. 2.3 при проектировании оснований зданий и сооружений или условное сопротивление по табл. 2.4 при проектировании оснований мостов и труб.

Таблица 2.2

Разновидности глинистых грунтов

Разновидности глинистых грунтов по консистенции	Показатель текучести
Супеси: твердые пластичные текучие	JL < 0 0 Ј JL Ј 1 JL > 1
Суглинки и глины: твердые полутвердые тугопластичные мягкопластичные текучепластичные текучие	JL < 0 0 Ј JL Ј 0,25 0,25 < JL Ј 0,50 0,50 < JL Ј 0,75 0,75< JL Ј 1,00 JL > 1,00

13. Свойства всех разновидностей грунтов, а особенно песчаных, пылеватых и глинистых, существенным образом зависят от содержащейся в них жидкой составляющей. Выделяют следующие состояния воды в грунте : кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная. Существуют грунты, обладающие способностью увеличивать свой объем при замачивании (набухающие грунты).

Вода в грунтах играет огромную роль при формировании их фи-зико-механических свойств.Это влияние особенно сильно проявляется в глинистых грунтах, т.к. глинистые минералы гидрофильны и притягивают на свою поверхность диполиводы. Чем больше глини-стых минералов, тем больше связанной воды в глинистых грунтах.

Состояние воды в грунтах может быть твердым (лед), жидким (вода)

и газообразным (пар). Классификация видов воды в грунтах была предложена А.Ф. Лебедевым в 1918 г.

При температуре выше 0ºС в грунтах выделяются

различные ви-ды воды.Кристаллизационная, или химически связанная, вода входит в строение кристаллических решеток минералов. Ее можно удалить только путем длительного прокаливания, что приводит к разложению самих минералов и к изменению свойств грунта.Вода в виде паразаполняет поры грунта, свободные от воды. Во-

дяной пар легко перемещаетсяиз областейвысокого давления в области с низким давлением,конденсируясь, способствует пополнению грунтовых вод.

Гигроскопическая водапритягивается частицами грунта из воздуха и конденсируется на их поверхности. Количество гигроскопической воды зависит от влажности воздуха и свойств частиц грунта. Гигроскопическая вода может перемещаться в грунте, переходя в парообразное состояние, и может быть удалена только высушиванием.

Связанная вода.Молекулы воды у поверхности глинистых частиц испытывают огромное молекулярное притяжение и образуют слой прочносвязанной воды, свойства которой

существенно отличаются от свойств свободной воды .

Последующие слои молекул воды менее связаны и образуют рыхлосвя-занную воду. С удалением от поверх-

ности частиц силы притяжения осла-бевают. Там, где силы притяжения частицы перестают действовать, вода находится в свободном состоянии .

• 14. Водопроницаемость–способность дисперсных грунтов пропускать (фильтровать) воду через свои поры. Ее надо учитывать при использовании грунта для возведения насыпей, при устройстве водоотводных и осушительных (дренажных) сооружений, при расчете скорости уплотнения грунта под нагрузкой и др. Движение воды через грунты является ламинарным и подчиняется закону Дарси:

• t – время;

• F – площадь;

• Kф – коэффициент фильтрации;

• I – гидравлический градиент.

• - определяется, как отношение напора (Н-Н1) к пути фильтрации L.

Коэффициент влагопроводности - способность почвы проводить ненасыщенный поток влаги, возникающий под действием градиента давления почвенной влаги.

15. сжатие в условиях свободного бокового расширения. При сжатии в условиях свободного бокового расширения грунт сжимается по оси z(вертикально) и расширяется в стороныпо оси x

При свободном боковом расширении относительная продольная деформация

 z= Sz/h, а относительная поперечная деформация x= Sx/ b.

x/ z=. где –коэффициент Пуассона или поперечного расширения грунта. Значения  составляют для песка 0,30...0,35; супесей 0,35...0,40; суглинков 0,40...0,45; глин 0,45...0,5. При сжатии грунта в условиях невозможности бокового расширения, например в жестком металлическом кольце, грунт оказывает давление на стенки кольца.

Сжимаемость грунтов под нагрузкой длится во времени. Поэтому при определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой группе показателей относятся: коэффициент сжимаемости 0m и модуль общей деформации грунта E0; ко второй группе –

коэффициент консолидации C. Эти показатели определяются в лаборатории при уплотнении грунтов под нагрузкой без возможности бокового

расширения в компрессионных приборах (одометрах).Для исследования используют образцы грунта ненарушенной структуры, отобранные в жесткие металлические кольца.Нагрузку на грунт передают ступенями, выдерживая каждую ступень до полного затухания деформаций.При сжатии грунта в компрессионном приборе диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному из-менению объема.

16. При сжатии грунта в условиях невозможности бокового расширения, например в жестком металлическом кольце, грунт оказывает давление на стенки кольца. Величину бокового давления при невозможности расширения характеризуют коэффициентом бокового давления , который представляет собой отношение приращения бокового давления Δqк приращению сжимающего усилия Δp: =Δq/ Δp.

Величина коэффициента бокового давления грунтов зависит от дисперсности, плотности, влажности, химикоминералогического состава и принимается для песков = 0,25...0,37, а для

глинистых грунтов в зависимости от влажности

=0,11...0,82.Коэффициент бокового давления 

и коэффициент Пуассона  связаны между собой.

Если на кубик грунта действует давление z

в условиях невозможности бокового расширения, то на боковые стенки кубика действует давление.