4. Физические свойства грунтов

Свойством грунта называется присущая данному грунту особенность, отражающая его поведение при воздействии внешних факторов – сил, силовых и энергетических воздействий и вещественных сред, вызывающих изменения свойств и состояния грунта. Характеристика, количественно оценивающая соответствующее свойство грунта называется параметром. Изучение свойств грунтов составляет в грунтоведении основу познания их качеств. Качественная определенность грунтов и происходящих в них явлений – это то, что делает их устойчивыми, что разграничивает их и создает их огромное разнообразие в природе.

Физические свойства грунтов это характеристики их физического состояния в естественном залегании и при взаимодействии с сооружениями, которые позволяют качественно оценивать их прочность и деформируемость. Физические свойства грунтов проявляются в результате действия на них различ­ных физических полей: гравитационного, теплового, электрического, гидро­динамического и др. Основные физические свойства, такие как влажность, плотность и пористость характеризуют состояние грунта и являются основой прогнозирования механических показателей грунтов, используемых при проектировании сооружений.

4.1. Влажность грунтов

Влажностью грунта называют количество воды, содержащейся в порах грунта в условиях его естественного залегания. Величина естественной влажности является важной характеристикой физического состояния грунта, определяющей его прочность и поведение под нагрузками от сооружений. Особое значение влажность имеет для глинистых грунтов, резко меняющих свои свойства в зависимости от степени увлажнения. Естественная влажность является важным косвенным показателем, необходимым для вычисления объемного веса грунта, пористости, степени влажности и других характеристик.

Объемная влажность (w_n), или объемное содержание жидкости, чис­ленно равна отношению объема воды (жидкости) в грунте (V_w) к объему всего грунта (V_tot), включая объем воды и газа:

Эта величина измеряется в % , или в долях единицы и может меняться от нуля для абсолютно сухого грунта до 100 % ( до 1 д. ед..) для полностью водонасыщенного грунта.

Весовая влажность (w), или весовое (массовое) содержание жидкости, численно равна отношению массы воды (жидкости) в грунте (т_w) к массе сухого грунта (m_d):

Объемная и весовая влажности связаны между собой соотношением:

w_n ρ_w= w ρ_d ,

где ρ_d – плотность скелета грунта, г/см³; ρ_w – плотность воды, г/см³.

Величина весовой влажности также измеряется в %, или в долях единицы, но в отличие от объемной влажности имеет только нижнее ограничение – 0 % для абсолютно сухого грунта.

Максимальные значения влажности отмечены у торфов: до 33,0 д. ед. (или 3300 %) и выше. В торфяной отрасли используется такой параметр как влага, которая определяется как отношения массы воды к массе всего влажного грунта, и в этом случае значения этого показателя не превышают 1 д. ед. (100 %). В литературе встречаются описания торфяных грунтов, влажность которых изменяется от 90 % и до 1000 % и более, т. е. интервал включает два разных параметра – влагу и влажность весовую, хотя даже для погребенного торфа такая нижняя граница значений влажности не типична.

В настоящее время среди методов определения влажности наибольшее распространение получил весовой метод, ставший стандартным: влажность грунта определяется высушиванием до постоянной массы при температуре 105 °С. Этим методом выполняются исследования грунтов для различных видов строительства на всех стадиях изысканий, за исключением тех случаев, когда грунты содержат значительное количество растительных остатков. Для того, чтобы избежать окисления некоторых органических веществ во время сушки, требуется температуры сушки ниже, чем обычные (105±5) ºС, например (50±2,5) ^ºС, при которых может не произойти удаление всей воды. Для определения подходящей температуры сушки может понадобиться проведение пробных экспериментов.

Для глинистых грунтов для определения влажности на границе текучести и раскатывания применяются предварительные процедуры перед высушиванием грунта (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Методы определения влажности грунта [40]

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
	Прессование	То же

Определение влажности методом высушиванием до постоянной массы [40]. Влажность грунта следует определять как отношение мас­сы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной мас­сы, к массе высушенного грунта. Пробу грунта массой 15–50 г помещают в заранее высушенный, взвешенный и пронумерованный стаканчик, который помещают в нагретый сушильный шкаф. Грунт высушивают до постоянной массы при температуре (105 ± 2)°С. Загипсованные грунты высу­шивают при температуре (80 ± 2)°С в течение 8 ч.. Песчаные грунты высушивают в течение 3 ч, а остальные – в течение 5 ч. Последующие высушивания песчаных грунтов производят в течение 1 ч, остальных – в течение 2 ч. После каждого высушивания грунт в стаканчике охлаж­дают в эксикаторе с хлористым кальцием до температуры поме­щения и опять взвешивают. Высушивание производят до получения разности масс грунта со стаканчиком при двух последующих взвешиваниях не более 0,02 г. Если при повторном взвешивании грунта, содержащего органические вещества, наблюдается увеличение массы, то за результат взвешивания принимают наименьшую массу. При обработке результатов вычисляют влажность до 30 % – с точностью до 0,1 %, влажность 30 % и выше – с точностью до 1 %.

Определение гигроскопической влажности высушиванием до постоянной массы. Гигроскопической влажностью w_g, % называется влажность грунта в воздушно-сухом со­стоянии, т. е. в состоянии равновесия с влажностью и температурой окружающего воздуха.

Для определения гигроскопической влажности пробы массой 10–20 г отбирают способом квартования из грунта в воздушно-сухом состоянии растертого, просеянного сквозь сито с сеткой № 1 и выдержанного открытым не менее 2  ч при данной температуре и влажности воздуха. Пробу грунта в стаканчике взвешивают и сушат.

В состав физических характеристик, определяемых для мерзлых грунтов, входят: суммарная влажность мерзлого грунта (w_tot); влажность мерзлого грунта между включениями льда (w_m); влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды (w_w); влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w_i); влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), w_ic.

Суммарной влажностью мерзлых грунтов (w_tot) называется отношение массы всех видов воды в мерзлом грунте к массе скелета грунта, определяется в соответствии с ГОСТ 5180. Состоит w_tot из влажности мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w_i) и влажности мерзлых минеральных прослоек (w_m), которая в свою очередь слагается из влажности мерзлого грунта за счет порового льда (w_ic), и влажности за счет не замерзшей воды (w_w):

w_tot= w_i + w_m = w_i + (w_iс + w_w).

Обычно все входящие в выражение параметры влажности должны определяться в ходе полевых и лабораторных работ опытным путем. При затруднениях, связанных с их определением, строительными нормами и правилами допускается вычисление части показателей. Влажность мерзлого грунта между включениями льда определяется также в соответствии с [41], в случае если w_m нельзя определить опытным путем, то для глинистых грунтов принимается равной влажности, соответствующая нижнему пределу пластичности – влажности на границе раскатывания (w_p).

Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды w_w, определяется опытным путем, для мерзлых незасоленных грунтов допускается определять ее по формуле:

w_w = k_ww_p,

где k_w – коэффициент, принимаемый по табл. 4.2 в зависимости от температуры грунта Т,  С и числа пластичности I_p=w_L – w_p., где w_l – влажность грунта, соответствующая верхнему пределу пластичности (влажность на границе текучести).

Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-це­мен­та) w_ic, обычно вычисляется по зависимости:

w_ic= w_m – w_w.

Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений w_i определяется по формуле:

w_i = w_tot–w_m.

Таблица 4.2

Значение коэффициентов k_w [104]

Грунты	Число пластичности Ip, д. ед.	Коэффициент kw при температуре грунта T,  C
		–0,3	–0.5	–1	–2	–3	–4	–6	–8	–10
Пески и супеси	Ip  0,02	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Супеси	0,02  Ip  0,07	0.6	0,50	0,40	0,35	0,33	0,30	0,28	0,26	0,25
Суглинки	0,07  Ip  0,13	0,7	0,65	0,60	0,50	0,48	0,45	0,43	0,41	0,40
Суглинки	0,13  Ip  0,17	*	0,75	0,65	0,55	0,53	0,50	0,48	0,46	0,45
Глины	Ip  0,17	*	0,95	0,90	0,65	0,63	0,60	0,58	0,56	0,55
Примечание. В таблице знак “*” означает, что вся вода в порах не замерзшая.

Величина суммарной влажности мерзлых грунтов изменяется в широких пределах и может намного превышать их полную влагоемкость в талом состоянии. Например, влажность мелкозер­нистых пылеватых песков с включением органического вещества может достигать 60 %, заторфованных суглинков – 150–200 %, а торфа – 400–800 % и более.

Графическое выражение влажности осуществляется путем построения профиля влажности по глубине разреза, где на одной оси координат откладывается среднее значение влажности для каждого слоя определенной мощности, а на другой – глубина отбора пробы. Используется также метод построения хроноизоплет влажности, который позволяет охарактеризовать особенности изменения влажности в грунтовом массиве любой мощности за определенный промежуток времени. Метод заключается в том, что в обычной сетке прямоугольных координат по оси абсцисс откладывают даты, а по оси ординат – глубину от поверхности. Для каждого срока наблюдений на соответствующей ему ординате выписывают величину влажности грунта. Затем на этих ординатах путем интерполяции определяются точки, отвечающие величинам влажности с выбранным интервалом значений. Точки с одинаковыми влажностями соединяют линиями, которые и являются линиями с одинаковой во времени влажностью.

К физическим свойствам грунтов связанных с содержаниемвлаги относятся также влагоемкость, влагоотдача, водопоглощение и водонасыщение.

Влагоемкостью называют способность грунта вмещать максимальное количество воды, обусловленное структурными особенностями и, прежде всего, той или иной категорией пористости.

Грунты по влагоемкости подразделяют на влагоемкие (торф, глины, суглинки), слабовлагоемкие (мергель, лесс, супеси, глинистые песчаники, глинистые пески) и невлагоемкие (магматические, метаморфические, плотные осадочные).

Различают следующие виды влагоемкости: гигроскопическую, максимальную молекулярную, капиллярную и полную.

Гигроскопической влагоемкостью (w_g) называемся способность частиц грунта притягивать из воздуха парообразную влагу.

Максимальной молекулярной влагоемкостью (w_mg) грунта называется способность частиц грунта удерживать на своей поверхности максимальное количество гигроскопической и пленочной воды. Максимальную молекулярную влагоемкость следует определять как влажность грунтовой пасты после прессования ее до завершения водоотдачи грунта. На кусочек ткани кладут шаблон, смазанный вазелином, заполняют шаблон грунтовой пастой, избыток пасты удаляют. Шаблон поднимают, а полученную лепешку покрывают вторым кусочком ткани. На пластину кладут стопку фильтрованной бумаги из 20 фильтров диаметром 90 мм, лепешку в ткани, такую же стопку фильтровальной бумаги, пластину. Полученный таким образом пакет помещают под пресс и выдерживают под постоянным давлением в 1 МПа в течение: пески и супеси – 10 мин, глины и суглинки – 30 мин. Освобождают грунт от пластин, фильтровальной бумаги, ткани, затем сгибают лепешку пополам. Ломкость ее показывает, что водоотдача завершена.

Капиллярной влагоемкостью (w_кап) называется максимальное количество воды, удерживаемой в капиллярных порах грунта. Капиллярная влагоемкость грунта численно равна влажности грунта (весовой или объемной) при его капиллярном насыщении, т. е. при наличии всех форм капиллярной воды. Капиллярная влагоемкость определяется только у грунтов, способных содержать капиллярную воду (тонкотрещиноватых и пористых скальных, крупнообломочных и песчаных). У глинистых грунтов (глин, суглинков, отчасти супесей) капиллярная вода может совсем отсутствовать, либо, будет иметь подчиненное значение по сравнению с осмотической и иными видами свя­занной воды. Капиллярную воду трудно определить отдельно, поскольку она формируется одновременно с осмотической и связанной водой.

Наибольшей капиллярной влагоемкостью обладают грунты с максимальным содержанием мезо- и микропор капиллярного размера (0,001–1 мм) – пески, супеси, песчаники, алевролиты, высокопористые скальные грунты и т.д.

Полная влагоемкость грунта (w_sat) численно равна его влажности (весовой или объемной) при полном заполнении всех пор водой. Полная влагоемкость определяется для всех типов грунтов (скальных и дисперсных) и характеризует содержание в грунте всех категорий воды, включая свободную. Наибольшей полной влагоемкостью обладают грунты с наибольшими значениями открытой пористости.

Для ненабухающих грунтов полная влагоемкость является постоянной величиной и, выра­женная в объемных долях, совпадает с их пористостью или максимальным значением объемной влажности.

Для набухающих грунтов полная влагоемкость является переменной величиной, зависящей от степени набухания грунта, так как при набухании происходит увеличение объема его порового пространства [50].

Степень влажности (коэффициент водонасыщения) S_r характеризует относитель­ную долю заполнения пор водой (жидкостью) в грунте. Степень влажности используется для определения расчетных сопротивлений грунтов при проектировании естественных оснований зданий и сооружений. Ее величина численно равна отношению объема воды или жидкости (V_w) к объему пор грунта (V_n):

и ли

где w_sat – влажность при полном водонасыщении грунта, когда

где е – коэффициент пористости, ρ_w – плотность воды, ρ – плотность грунта.

Величина S_r измеряется в долях единицы, или в %, и может меняться от 0 в случае абсолютно сухого грунта до 1 (или 100 %) при полном насыщении пор. В отдельных случаях значения S_r оказываются больше 1 в результате того, что при нагревании грунта до 105–107 ^oС из него удаляется не только вода, находящаяся в порах, но и часть воды, входящей в состав слагающих грунт минералов (гипс, монтмориллонит и др.), а также некоторых органических примесей.

Коэффициент водонасыщения является классификационным показателем для дисперсных несвязных грунтов: грунты называются маловлажными при S_r<0,5, влажными при 0,5<S_r<0,8 и насыщенными водой при S_r >0,8 (рис. 4.1).

Влагоотдачей (w_отд), или водоотдачей, называют способность водонасыщенных грунтов отдавать воду путем ее свободного стекания (т. е. под дей­ствием силы тяжести). Влагоотдача характеризует наличие в грунте свободной воды.

Влагоотдача скальных, крупнообломочных и песчаных грунтов примерно равна разности их полной влагоемкости (w_sat) и влажности капиллярной влагоемкости (w_кап) т. е.:

w_отд = w_sat – w_кап.

В некоторых публикациях неверно указывается, что водоотдача равна разности между полной и максимальной молекулярной влагоемкостью. В этом случае водоотдача учитывает не только свободную, но и основную часть воды переходного состояния – капиллярную и осмотическую, которые, как известно, не стекают под действием силы тяжести.

Влагоотдача глинистых грунтов определяется как разность между их полной влагоемкостью и влажностью свободного набухания (w_sw):

w_отд = w_sat – w_sw.

Для тяжелых глин эта величина обычно равна нулю и лишь в легких суглинках и супесях может достигать существенных значений. Наибольшей влагоотдачей (как и наибольшим содержанием свободной воды) обладают сильнотрещиноватые и крупнопористые скальные грунты, а также крупнообломочные грунты без заполнителя, а наименьшей – глины [50].

При исследовании влагоемкости неразмокающих скальных и полускальных грунтов определяют их водопоглощение (w_пог), водонасыщение (w_нас) и коэффициент водонасыщения (К_нас).

Водопоглощением (w_пог) называется способность грунта поглощать (впитывать) воду при погружении его в воду в обычных условиях, т. е. при атмосферном давлении и комнатной температуре. Водопоглощение выражают в долях единицы или в процентах от веса абсолютной породы. В образце формируется свободная, капиллярная и связанная вода, в некоторых случаях возможно образование осмотической воды (при наличии глинистого цемента и др.)

Рис. 4.1. Классификация грунтов по водонасыщенности

Количественно водопоглощение характеризуется отношением веса поглощенной воды к весу абсолютно сухой породы, т. е. весовой влажностью. Водопоглощение определяется только для неразмокающих грунтов. При этом грунт сначала насыщается капиллярно, а затем полностью погружается в воду (для исключения образования защемленного воздуха).

Величина водопоглощения близка или даже равна капилляр­ной влагоемкости грунтов (w_пог>w_кап), но может несколько превышать ее из-за заполнения свободной водой крупных некапиллярных пор и трещин.

Обычно водопоглощение ниже полной влагоемкости грунта (w_пог<w_sat), так как часть пор при таком способе водопоглошения остается занятой защемленным и адсорбированным воздухом.

Водонасышением (w_нас) называется способность грунта поглощать (впитывать) воду при погружении его в воду в особых условиях – под вакуумом, при повышенном давлении или при кипячении, т. е. способность грунта принудительно впитывать максимально возможное количество воды. Количественно эта величина также выражается весовой влажностью образца после его водонасыщения. Величина водонасыщения больше водопоглощения, так как при насыщении пород в особых условиях воздух и газы и микротрещинах и порах меньше мешают проникновению в них воды. В то же время эта величина обычно равна или меньше (за счет оставшихся незапол­ненных водой пор) полной влагоемкости грунта (w_sat>w_нас). Водонасыщением обычно определяют открытую пористость скальных грунтов.

Коэффициентом водонасыщения (К_нас) грунта называют отношение водопоглощения к водонасыщению (не путать со степенью влажности грунта S_r):

Величина К_нас является безразмерной и меняется от долей до единицы. Если К_нас>0,8, то такой грунт относится к категории неморозостойких [50].