4.3. Совмещенный метод определения физических свойств грунтов (Метод Мазурова).

Существующие методы индивидуальных экспериментальных определений основных физических характеристик мерзлых грунтов несовершенны, поскольку определение плотности, влажности и льдистости осуществляется с использованием различных образцов, т.е. практически это различные пробы. Это обуславливает снижение достоверности между физическими характеристиками вследствие неоднородности строения грунта, изменения его свойств в пространстве и во времени. Эти ошибки транслируются и на характеристики расчетных показателей свойств грунтов: плотность сухого грунта, пористость, степень влажности и др.

Таблица 4.2.

Взаимосвязь между показателями характеристик основных физических свойств мерзлых грунтов [99]

Исходные характеристики	Характеристики, вычисляемые по формулам
Плотность мерзлого грунта естественной (ненарушенной) структуры, , г/см2 Плотность частиц грунта, , г/см3 Суммарная влажность грунта (на сухую навеску)	Влажность общая
	Относительная льдистость
	Объемная льдистость
	Плотность сухого грунта
	Коэффициент пористости
	Полная влагоемкость
	Коэффициент водонасыщения
	Объем газов в 1 см3 грунта
Влажность за счет незамерзшей воды Wwв д. ед. от массы сухого грунта	Объем газов в 1 см3 грунта
	Масса ком-понент грунта, в см3	твердых частиц
		льда
		незамерзшей воды

Примечание: К - относительное содержание частиц грунта и льда в единице объема, _, - плотность льда и плотность воды.

В связи с эти был предложен метод совмещенного определения плотности, влажности и льдистости, разработан Г.П. Мазуровым на кафедре грунтоведения Ленинградского университета [43]. В совмещенном методе использован принцип пикнометрического способа определения суммарной влажности, что освобождает от необходимости высушивания грунта: объем грунта устанавливается по объему вытесненной им воды, а льдистость - по изменению объема системы скелет + вода после растаивания в грунте льда. Совмещенный метод разработан для определения основных физических характеристик мерзлых грунтов, кроме сыпучемерзлых, однако, его можно использовать для определения плотности и влажности талых грунтов, обладающих связностью и медленно размокающих, например, для различных суглинистых грунтов.

Прибор для выполнения опыта (рис. 4.2) представляет собой сосуд вместимостью от 3 до 10 л, снабженный сливным устройством (шлангом с зажимом).

Рис. 4.2. Прибор для определения физических характеристик мерзлых грунтов:

1 - сосуд; 2 - штуцер; 3 - сливной шланг; 4 - зажим; 5 - площадка весов; 6 - грунт

Для опыта необходимы также весы чашечные или автоматические циферблатные от 5 до 10 кг. Весы устанавливают на горизонтальную плоскость (стол, помост). На чашку (площадку) весов помещают сосуд при закрытом зажиме на сливном шланге. В сосуд наливают воду выше сливного отверстия. Избыток воды сливается через шланг, затем зажим закрывают, и сосуд с водой взвешивают, определяют массу сосуда с водой g ₀ .

Все последующие операции (долив и слив воды, погружение грунта в сосуд и взвешивание грунта с водой) производят, не сдвигая и не снимая сосуда с весов до конца опыта. В сосуд с водой при закрытом зажиме помешают образец (глыбу, часть керна или несколько кусков) мерзлого или талого медленно разминаемого грунта массой более 1 кг и быстро взвешивают, получают массу сосуда с водой и грунтом-монолитом g ₁.

Сразу же после взвешивания открывают зажим, сливают избыток воды выше сливного устройства, зажим закрывают, а сосуд c водой и грунтом снова взвешивают, получают массу сосуда с грунтом-монолитом после слива воды g ₂ . Грунт в сосуде с водой оттаивает; для ускорения оттаивания образец грунта рекомендуется раздробить с помощью металлического стержня, ножа и т.д.

После оттаивания и размокания грунта уровень воды в сосуде опустится ниже сливного отверстия, поэтому следует долить воды несколько выше сливного отверстия, избыток ее слить через шланг, а сосуд с водой и размокшим грунтом взвесить, получим массу сосуда с водой и размокшим грунтом g ₃.

Расчет физических характеристик после проведения эксперимента выполняется следующим образом. Масса образца грунта-монолита

g ₄ = g ₁ - g ₀ . (4.13)

Объем грунта-монолита

V _м = (g ₁ - g ₂ ) / r _w . (4.14)

Плотность грунта (г/см³) - отношение массы грунта к его объему

r = (g₁ - g₀) r _w /(g ₁ - g ₂ ).                              (4.15)

При температуре грунта ниже -5 ° С на образце грунта может образоваться корка льда. Для учета ее следует взвесить образец после его извлечения из сосуда (перед оттаиванием) - g ₅ .

Количество образовавшегося льда g ₆ находят по разности

g ₆ = g ₅ - g ₄ . (4.16)

Плотность грунта с поправкой на корку льда составит

(4.17)

Плотность сухого грунта

= ( g ₃ - g ₀ ) /( - 1).                             (4.18)

Величина плотности частиц принимается: для песков 2,66; супесей 2,70; суглинков 2,71; глин 2,74 г/см³.

Суммарная влажность - отношение массы воды к массе сухого грунта

w _tot = [(g₁ - g₀)( - 1)]/(g₃ - g₀) .                    (4.19)

Объем льда

V_i = 12,5(g₃ - g₂) = (g₃ - g₂)/( - ). (4.20)

Льдистость объемная - отношение объема льда к объему грунта-монолита

i_i = [12,5(g₃ - g₂) ]/(g₁ - g₂).                           (4.21)

Масса льда

g_i = 11,5( g ₃ - g ₂ ). (4.22)

Масса льда с поправкой на мерзлую корку g_i составит

g_i = g_i - g₆. (4.23)

Льдистость весовая - отношение массы льда к массе скелета грунта

             (4.24) 

                                 

Льдистость относительная - отношение весовой льдистостик суммарной влажности

i_{i- 2} = i_{i- 1} / w _tot .                                         (4.25)

Количество незамерзшей воды в грунте

w _w = w _tot - i_i-2.                                          (4.26)

Мерзлые песчаные грунты в воде иногда размокают. В этом случае перед определением плотности мерзлого грунта образец парафинируют, а его объем определяют методом гидростатического взвешивания

Лабораторная работа. Определение плотности мерзлого грунта методом взвешивания в нейтральной жидкости

Цель работы: Научиться определять плотность мерзлого грунта методом взвешивания в нейтральной жидкости.

Задание: Определить плотность мерзлого грунта.

Необходимое оборудование: весы, керосин или лигроин, линейка, нитки, ареометр, сосуд.

Ход работы: Плотность мерзлых грунтов определяется методом взвешивания в нейтральной жидкости. В учебных целях образцы грунта можно приготовить путем замораживания их в компрессионных кольцах с известным объемом, и тогда отпадает необходимость взвешивания в нейтральной жидкости, а плотность определится методом режущего кольца. Образец грунта и нейтральная жидкость (керосин, лигроин и др.) должны иметь отрицательную температуру. Образец грунта отбирают округлой формы, массой около 100–150 г и обвязывают нитью. Для грунтов с сетчатой или слоистой криогенной структурой масса образца может быть увеличена.

Определяют плотность нейтральной жидкости ареометром, замеряют температуру испытания. Затем образец взвешивают, погрузив его в нейтральную жидкость. Плотность грунта , г/см3 вычисляют по формуле: где т – масса образца (до погружения), г; m₁– результат взвешивания образца в нейтральной жидкости – разность масс образца и вытесненной им жидкости, г; _n – плотность нейтральной жидкости при данной температуре испытаний, г/см³ (плотность керосина _n =0,81 г/см3, лигроина _n 0,78 г/см³).

Лабораторная работа. Определение суммарной влажности мерзлых грунтов Цель работы: Научиться определять суммарную влажность мерзлых грунтов.

Задание: Определить суммарную влажность мерзлого грунта. Необходимое оборудование: тара, полиэтиленовые пакеты, весы,

разновесы, шпатель и дистиллированная вода.

Ход работы: Заранее замораживается в морозильной камере образец грунта массой 1–3 кг (имеющий не менее трех ледяных и минеральных прослоек каждого направления). Образец мерзлого грунта помещают в предварительно высушенную, взвешенную и пронумерованную тару. Допускается оттаивание образцов грунта в плотно завязанных полиэтиленовых пакетах во время транспортирования и хранения. Образец грунта в таре (m₃), г взвешивают, дают ему оттаять и доводят до однородного состояния, близкого к границе текучести для пылевато-глинистых грунтов, или полного водонасыщения для песчаных грунтов, перемешивая его металлическим шпателем и добавляя дистиллированную воду или осторожно сливая избыток воды после ее осветления. Грунт в таре вновь взвешивают (m₄) и отбирают из него пробы для определения влажности перемешанного грунта.Суммарная влажность мерзлого грунта, в долях единицы, вычисляется по формуле: где m₂ – масса тары, г: m₃ – масса образца грунта (с тарой), г; т₄ – масса перемешанного грунта (с тарой), г; w – влажность перемешанного грунта, %. Результаты опытов записывают в журнал.

Таблица 4.3.

Данные определения суммарной влажности мерзлого грунта точечным методом и методом бороздки

№ п.п.

Лабораторный №

№ выработки

Глубина взятия образца в м (от-до)

№ бюкса

Вес бюкса g,г

Вес бюкса с мерзлым грунтом g1, г

Вес бюкса с грунтом после сушки g0, г

Вес водыg1- g0, г

Вес сухого грунта g0- g,г

Суммарная влаж­ность образца Wc

I взвешивание

II взвешивание

III взвешивание

принятое значение g0

в%

в долях единицы

Таблица 4.4. (Форма)

Определение суммарной влажности мерзлого грунта методом средней пробы

№ п.п.

Лабораторный №

№ выработки

Глубина взятия образца в м (от-до)

№ мешочка

Вес мешочкаg0, г

Вес мерзлого грунта с мешочком g3, г

Вес мерзлого грунта g1= g3 -g0, г

Вес чашки g,г

Вес чашки с грунтовой массойg2, г

Вес грунтовой массы g2-g, г

Влажность средней пробы* Wсп в долях единицы

Суммарная влажность образца грунта Wc

в %

в долях единицы

*Определение влажности средней пробы W_сп производится по формуле (8); запись данных по определению W_сп - по форме табл. 5.