Физические характеристики грунтов

Наименование, определение	Формула
Плотность – отношение массы грунта к его объёму, г/см3, т/м3
Удельный вес, кН/м3
Влажность – отношение массы воды к массе твёрдых частиц
Плотность частиц грунта – отношение массы твёрдых частиц к их объёму, г/см3, т/м3		для песков 2,65−2,67;
		для супесей 2,68−2,72;
		для суглинков 2,69−2,73;
		для глин 2,71−2,76
Удельный вес частиц, кН/м3
Плотность сухого грунта (скелета грунта) – отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объёму всего грунта, г/см3, т/м3
Удельный вес сухого грунта (скелета грунта), кН/м3
Пористость грунта – отношение объёма пор к объёму грунта
Относительное содержание твердых частиц	;
Коэффициент пористости грунта
Коэффициент водонасыщения – отношение объёма воды в порах к объёму пор

На рис. 2 и в табл.3 обозначено: V и М – общий объём и масса, V₁, V₂, V₃, m₁, m₂, m₃ – соответственно объёмы и массы твёрдых частиц, воды и воздуха в составе образца трёхкомпонентного массива грунта.

К числу физических характеристик также относятся показатели текучести глинистых грунтов: супесей, суглинков и глин. В строительном грунтоведении приняты три возможных состояния указанных видов грунтов, зависящие от показателя текучести: твёрдое, пластичное и текучее.

Значение влажности между твёрдым и пластичным состояниями принято называть границей раскатывания или нижним пределом пластичности. На практике граница раскатывания представляетсобой искусственно подобранную (путём увлажнения или подсушивания) влажность, при которой природный образец грунта, раскатанный в «шнур» толщиной 3 мм, начинает распадаться на мелкие части.

Влажность между пластичным и текучим состояниями называется «границей текучести» или верхним пределом пластичности. При определении этого показателя влажность природного образца грунта искусственно доводится до такого состояния, при котором стандартный конус погружается в грунтовую пасту (тесто) на 10 мм.

Влажности на границах текучести и раскатывания принято обозначать в процентах как W_L и W_P. Разность между ними называется числом пластичности:

I_P = W_L W_P. (1.1)

По числу пластичности глинистые грунты делятся на супеси  1 I_P 7, суглинки – 7 I_P 17, глины – I_P 17.

Показатель текучести I_L, соответствующий природному или некоторому заданному уровню влажности W, определяется по формуле

(1.2)

с графической иллюстрацией на рис. 3. При влажности ниже «границы раскатывания» (I_L  0) грунт находится в твёрдом состоянии, при влажности выше границы текучести (I_L  1,0) состояние грунта считается текучим, при промежуточных значениях влажности (I_L от 0 до 1,0) состояние супесей считается пластичным. Для суглинков и глин с показателем текучести в пределах от 0 до 1,0 принято более мелкое деление (с шагом 0,25) на полутвёрдые, туго-, мягко- и текучепластичные грунты (см. рисунок 1).

Характеристики рассматриваемой группы являются определяющими для классификации грунтов, используются в инженерных прогнозах, но не участвуют в расчётах непосредственно.

Рис. 3. Число пластичности IP и показатели состояния глинистых грунтов: 1 – твёрдое состояние; 2 – пластичное состояние; 3 – текучее состояние

Вторую группу характеристик грунтов принято называть механическими. К ним относятся прочностные и деформационные параметры законов Кулона и Гука: угол внутреннего трения , удельное сцепление с, модуль деформации Е, коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) . Физическое содержание этих констант рассматривается ниже, в п. 1.3 – 1.4.

В строительном грунтоведении и проектной практике учитываются и широко используются соответствия между физическими и механическими характеристиками. Увеличение (или, наоборот, снижение) пористости и влажности глинистых грунтов влечёт за собой уменьшение (повышение) их прочности и одновременно повышение (уменьшение) деформативности. Такое же соответствие характерно для плотности и механических параметров песчаных грунтов. Эти связи обобщены в многочисленных таблицах, наиболее авторитетные из которых включены в состав современного СП 22.13330.2011 и ранее действовавших вариантов главы СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений.

Нормативные и расчётные значения характеристик грунтов. Не касаясь содержания и объёма инженерно-геологических изысканий и лабораторных определений, рассмотрим современный порядок аналитической обработки полученных результатов. В своде правил СП 22.13330.2011 регламентируются два способа определения нормативных и расчётных характеристик грунтов.

Более строгий расчёт в соответствии с ГОСТ 20522-2012 выполняется в следующем порядке.

1. Нормативные значения всех (физических и механических) характеристик грунтов определяются как среднеарифметические значения результатов частных опытных измерений.

2. Расчётные значения характеристик грунтов определяются путем деления нормативных величин на коэффициенты надёжности _g  1,0. При вычислении расчётных прочностных характеристик c,  и плотности грунта  коэффициенты _g определяются по вычислительной процедуре, изложенной в ГОСТ 20522-2012, в зависимости от трёх параметров: числа выполненных определений; коэффициента вариации, характеризующего изменчивость лабораторных определений; доверительной вероятности.

3. Доверительная вероятность  (т. е. доля образцов грунта, имеющих показатель не ниже расчётного) указанных выше значений c, ,  принимается в следующих размерах:

– при расчётах оснований по несущей способности  =0,95;

– при расчётах по деформациям  = 0,85.

Для сооружений I (повышенного) уровня ответственности допускается (но необязательно) принимать более высокие доверительные вероятности характеристик грунтов.

4. Для физических характеристик и модуля деформации Е принимается γ_g =1.

Упрощённый способ определения характеристик грунтов, изложенный в СП 22.13330.2011, допускается применять для предварительных расчётов оснований всех объектов, а при проектировании зданий и сооружений  (пониженного) и части объектов II (нормального) уровней ответственности – для окончательных расчётов оснований. В упрощённом способе используются следующие положения.

1. Нормативные значения механических характеристик (угла внутреннего трения, удельного сцепления, модуля деформации) допускается принимать на основании нормативных физических характеристик по таблицам рекомендуемого приложения Б СП 22.13330.2011.

2. Расчётные значения механических характеристик определяются путём деления нормативных величин на коэффициенты надёжности по грунту:

– в расчётах оснований по деформациям _g = 1,0;

– в расчётах оснований по несущей способности: для удельного сцепления _g=1,5, для угла внутреннего трения песков _g=1,1, глинистых грунтов _g=1,15.

Инженерная схематизация грунтовых объектов. Построенные по результатам полевых изысканий и лабораторных исследований вертикальные колонки (буровых скважин, точек зондирования) и разрезы оснований и грунтовых массивов расчленяются на однородные объёмы грунтов, называемые инженерно-геологическими элементами (ИГЭ). В качестве ИГЭ принимается слой грунта одного вида, происхождения, возраста, для которого по результатам статистической обработки приняты общими все физические и механические характеристики.

В некоторых достаточно редких случаях при инженерной схематизации геологического разреза вместо ИГЭ выделяются более крупные фрагменты, называемые расчётными грунтовыми элементами (РГЭ). Для РГЭ не обязательно единство вида и происхождения, но должны быть постоянными (или закономерно меняющимися по глубине) нормативные и расчётные характеристики грунта.

При построении инженерно-геологического разреза сначала наносят вертикальные колонки с отметками границ геологических напластований. Затем проводят границы между ИГЭ и/или РГЭ путём соединения прямыми линиями пограничных точек на вертикальных колонках. Для линейных сооружений (железных и автомобильных дорог, мостов, трубопроводов и др. подобных объектов) достаточно одного продольного инженерно-геологического разреза. При описании инженерно-геологической обстановки в основаниях площадочных объектов (зданий, сооружений) необходимо строить несколько характерных пересекающихся разрезов.