Механика грунтов / УМК по механике грунтов / Лекция 3 Характеристики физического состояния грунта

ЛЕКЦИЯ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТА

3.1.Введение

Как уже отмечалось выше, грунт представляет собой дисперсную трехфазную среду, состоящую из минеральных мелкораздробленных частиц, жидкой фазы в виде свободной и связанной воды, и газообразной фазы в виде воздуха, защемленного в порах грунта и растворенного в воде.

При этом свойства грунта как основания сооружений определяются свойствами каждой фазы в отдельности, количественным соотношением между фазами и характером взаимодействия их друг с другом.

В предыдущих лекциях были рассмотрены основные особенности свойств каждой фазы и характер их взаимодействие друг с другом. В данной лекции будут рассмотрены показатели (характеристики),

позволяющие количественно оценить соотношение между фазами и при помощи их установить физическое состояние дисперсной среды. Такие показатели носят название характеристик физического состояния.

Характеристики физического состояния – отражают количественное соотношение по массе или объему твёрдой, жидкой и газообразной фазы.

3.2.Идеализированная модель грунта

Рассмотрим образец грунта, состоящий из твердой (S) жидкой (W)и газообразной (G) фазы, рис.3.1. Представим данный образец в виде идеализированной схемы, в которой выделим объемы твердой фазы (Vs)жидкой фазы (Vw) и газообразной фазы (Vg). При этом:

V =Vs + Vw + Vg ,

или

V =Vs + Vn ,

где Vn =Vw + Vg - объем пор.

Рис.3.1. Грунт: а) фактическое строение грунта; б) идеализированная модель грунта

Масса образца грунта складывается из массы твердых частиц (ms) и массы воды (mw):

m = ms + mw ,

где ms ,mw − масса соответственно твёрдых частиц и жидкой фазы. Условно характеристики физического состояния делятся на:

∙основные;

∙расчётные.

Основные характеристики физического состояния – характеристики,

которые могут быть получены только в ходе лабораторных или полевых испытаний.

Расчетные характеристики физического состояния вычисляются через известные основные характеристики.

3.3.Основные характеристики физического состояния

3.3.1.Плотность и удельный вес грунта в естественном состоянии

Плотность грунта в естественном состоянии представляет собой отношение полной массы грунта в естественном состоянии ко всему объему образца грунта в естественном состоянии:

Единицы изменения [г/см3] [кг/м3] и т.д.

Аналогичное определение можно дать для удельного веса.

Удельный вес грунта в естественном состоянии – отношение веса грунта (Р) в естественном состоянии ко всему объему грунта в естественном состоянии.

Нельзя путать плотность грунта с удельным весом, как нельзя путать такие физические величины как массу и вес. Как известно масса это мера инерции, а вес – сила с которой данная масса притягивается к Земле. Поэтому удельный вес зависит не только от свойств грунта, но и от гравитационных сил Земли.

Численно удельный вес можно определить через плотность и

Единицы изменения удельного веса [кН/м3] [Н/см3] и т.д.

Плотность (удельный вес) грунта в естественном состоянии определяется лабораторными методами по СТБ:

∙методом режущего кольца;

∙методом взвешивания в воде.

Метод режущего кольца применяют для пластичных и песчаных грунтов, в которые можно погрузить металлическое кольцо, не нарушая природной структуры грунта, рис. 3.2.

Рис.3.2. Режущие кольца для определения плотности (удельного веса) грунта в естественном состоянии

Для большинства минеральных грунтов плотность грунта в естественном состоянии лежит в пределах от 1,6 г/см3 (рыхлые пески) до

2,2 г/см3(плотные моренные грунты), а удельный вес, соответственно от 16 км/м3 до 22 км/м3.

3.3.2. Плотность твердых частиц

Плотность твёрдых частиц – отношение массы твердых частиц к объему твердых частиц:

применяют пикнометрический метод. Пикнометр представляет собой колбу с заранее известным объемом (100, 200 ml и т.д),

Навеска грунта известной массы (ms) помещается в пикнометр, который заливается дисцилированной водой до объема пикнометра.

Определяется масса пикнометра с грунтом и водой (mp+s+w). Далее определяется масса пикнометра только с водой (mp+w). Объем грунта в

этом случае определяется из выражения:

Vs = ms − (mp+ρs+w − mp+w ) w

Так как минеральные частицы грунта представляют собой продукты выветривания горных пород, их плотность в целом соответствует плотности минералов, из которых они образовались. Для скальных грунтов плотность пород составляет 2,4 – 3,3 г/см3 , для нескальных 2,4 – 2,8 г/см3. Минеральные частицы грунта, как правило, имеют плотность:

∙пески 2,65 – 2,7 г/см3;

∙супеси 2,68 – 2,72 г/см3;

∙суглинки 2,69 – 2,73 г/см3;

∙глины 2,71 – 2,8 г/см3.

3.3.3. Влажность грунта в естественном состоянии

Влажность грунта представляет собой отношение массы воды к массе твердых частиц:

Методы определения влажности – высушивание при постоянной температуре 105 С˚ в специальных сушильных шкафах. Взвешивая образец в природном (влажном) состоянии и после высушивания можно определить массу испарившейся воды (mw). Для достижения полного высушивания образца требуется, как правило, 2-4 часа.

Влажность грунта чаще всего выражается в %. В этом случае выражение (3.4) следует записать в виде:

W = mw ×100% ms

Влажность большинства минеральных грунтов лежит в пределах 4 - 40%, однако встречаются грунты (заторфованные, торфы, сапропели) влажность которых может достигать 200% и более.

3.3.4. Влажность на границе раскатывания и влажность на границе текучести

Для глинистых грунтов в качестве основных характеристик физического состояния дополнительно рассматриваются;

∙влажность на границе раскатывания Wp;

∙влажность на границе текучести WL.

Данные характеристики позволяют оценит пластичные свойства глинистых грунтов. Известно, что глинистый грунт в зависимости от влажности может быть в твердом состоянии, пластичном и даже в текучем, рис.3.4. Величины Wp, WL позволяют установить условные точки

изменения состояния глинистого грунта в соответствие с действующими нормами.

Рис.3.4. Изменение состояния глинистого грунта

при увеличении влажности

Влажность на границе раскатывания Wp – влажность, при которой условно считается, что глинистый грунт переходит из твердого состояния в пластичное.

Влажность на границе текучести WL – влажность, при которой условно считается, что глинистый грунт переходит из пластичного состояния в текучее.

Влажность на границе текучести Wz определяется при помощи балансирного конуса (Васильева), рис. 3.5., а влажность по границе раскатывания Wp – путем раскатывания грунта в тонкий жгут.

Рис. 3.5. Балансирный конус (Васильева)

3.3.5.Основные характеристики физического состояния

особых грунтов

Помимо перечисленных выше характеристик для описания специфических свойств отдельных видов грунтов в механике грунтов существуют другие характеристики состава и состояния грунта. Эти

характеристики указывают относительное содержание в грунте различного рода растворимых солей, органической примеси, льда и т.д. Среди них следует отметить:

·степень засолённости, Dsal ;

·содержание органического вещества (заторфованность) Iom ;

Степень засоленности грунта Dsal - содержание легко- и

среднерастворимых солей в процентах от массы абсолютно сухого грунта.

К легкорастворимым солям относятся: хлориды NaС1, КС1, СаСL2, МgСl2; бикарбонаты NаНСО3, Са(НСО3)2, Мg(НСО3)2; карбонат натрия Na2CО3, сульфаты магния и натрия МgSO4, Na2SO4. К среднерастворимым солям относятся гипс СаSО4 2Н2О и ангидрит СаSО4.

Содержание органической примеси (степень заторфованности) Iom - отношение массы органического вещества в образце абсолютно сухого грунта к массе грунта.

сухового сжигания, оксидиметрическим методом.

3.4.Расчётные характеристики

3.4.1.Плотность сухого грунта (плотность скелета грунта)

Плотность сухого грунта rd (плотность скелета грунта) -

отношение массы абсолютно сухого грунта к объему грунта в

3.4.2. Пористость грунта

Пористость грунта (n) - отношение объема пор к общему объему

грунта

Объём твёрдых частиц в единице объёма – величина аналогичная пористости.

m′ = VVs - -объем твердых частиц в единице объема.

Или:

С учетом (3.11), (3.12):

e = ρs − ρd (3.13)

ρd

Коэффициент пористости безмерная величина и для дисперсных грунтов минерального происхождения, как правило, изменяется в пределах

0,4 ÷1,2.

3.4.4. Степень водонасыщенности

Степень водонасыщенности – отношение объема воды к общему

объему пор

Для того чтобы вывести зависимость для определения величины Sr

через известные характеристики физического состояния введем понятие влажности грунта при полном водонасыщении.