4.3. Плотность грунтов

Плотность – физическое свойство грунтов, количественно оценивае­мое величиной отношения их массы к занимаемому объему. Физические свойства, характеризующие взаимосвязь между массой и объемами горных пород или минералов называются плотностными. Плотность используется как прямой расчетный показатель при вычислении бытового давления, давления на подпорную стенку, при расчете устойчивости оползневых склонов и откосов, осадки сооружений, распределения напряжений в грунтах основания под фундаментами, при определении объема земляных работ и др.

При инженерно-геологических исследованиях используют следующие характеристики: плот­ность твердых частиц грунта, плотность грунта, плотность сухого грунта, плотность грунта под водой, плотность скелета высушенного грунта и др. Наиболее употребительными являются первые три показателя.

Плотность грунта , г/см³, кг/м³, или плотность влажного грунта это масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением:

Для определения плотности грунтов применяют прямые и косвенные методы. К прямым относятся методы, основанные на непосредственном измерении массы и объема грунта, как правило, небольших его образцов. Методы определения плотности в лабораторных условиях согласно действующим нормативным документам [41] приведены в табл. 4.5. Их недостатком является малый объем грунта в измеряемых пробах (получение «точечных» значений) и необходимость их извлечения из массива. Косвенные методы основаны на определении плотности грунта без непосредственных измерений массы и объема грунтов. К ним, в первую очередь, следует отнести пенетрационные и ядерные (гамма-лучевые) методы, позволяющие определить плотность грунтов непосредственно в массиве. Они весьма производительны, имеют достаточную для практических целей точность и могут применяться при однократных и многократных определениях, что важно при стационарных наблюдениях.

Таблица 4.5

Методы определения характеристик плотности грунтов [41]

Характеристика грунта	Метод определения	Грунты (область применимости метода)
Плотность грунта	Режущим кольцом	Легко поддающиеся вырезке или не сохраняющие свою форму без кольца, сыпучемерзлые и с массивной криогенной текстурой
	Взвешивание в воде парафинированных образцов	Пылевато-глинистые немерзлые, склонные к крошению или трудно поддающиеся вырезке
	Взвешивание в нейтральной жидкости	Мерзлые
	Объемные методы	Мерзлые, скальные и крупнообломочные грунты
	Гамма-лучевые методы	Все грунты
Плотность сухого грунта	Расчетный	Все грунты
Плотность частиц грунта	Пикнометрический с водой	Все грунты, кроме засоленных и набухающих
	То же, с нейтральной жидкостью	Засоленные и набухающие
	Метод двух пикнометров	Засоленные
Максимальная плотность	Послойное трамбование грунта	Пески, глинистые грунты, крупнообломочные (только гравийные) грунты

Определение плотности методом режущего кольца [44]. При применении метода режущего кольца выбирают режущее кольцо-пробоотборник, который смазывают с внутренней стороны тонким слоем вазелина или консистентной смазки. Верхнюю зачищенную плоскость образца грунта выравнивают, срезая излишки грунта ножом, устанавливают на ней режущий край кольца и винтовым прессом или вручную через насадку слегка вдавливают кольцо в грунт, фиксируя границу образца для испытаний. Затем грунт снаружи кольца обрезают на глубину 5–10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик диаметром на 1–2 мм больше наружного диаметра кольца. Периодически, по мере срезания грунта, легким нажимом пресса или насадки насаживают кольцо на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт подрезают на 8–10 мм ниже режущего края кольца и отделяют его. Грунт, выступающий за края кольца, срезают ножом, зачища­ют поверхность грунта вровень с краями кольца и закрывают тор­цы пластинками. Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают и рассчитывают плотность с точностью 0,01 г/см³.

Метод определения плотности грунта взвешиванием в воде парафинированных образцов [44] используется для определения объема небольших монолитов в лабораторных условиях, для определения плотности могут применяться денситометры. Образец грунта вырезается объемом не менее 50 см³ и ему придается округлая форма. Образец обвязывают тонкой прочной нитью со свободным концом длиной 15–20 см, имеющим петлю для подвешивания к серьге весов. Парафин, не содержащий примесей, нагревают до температуры 57–60°С.

Обвязанный нитью образец грунта взвешивают. Образец грунта покрывают парафиновой оболочкой, погружая его на 2–3 секунды в нагретый парафин. При этом пузырьки воздуха, обнаруженные в застывшей парафиновой оболочке, уда­ляют, прокалывай их и заглаживая места проколов нагретой иглой. Эту операцию повторяют до образования плотной парафино­вой оболочки.

Чтобы избежать растрескивания парафиновой оболочки, парафин должен накладываться как только он расплавится. Парафинирование образца должно проводиться очень осторожно. Углубления в поверхности, включая впадины от выпавших камней, должны покрываться расплавленным парафином в первую очередь при помощи кисти, и нужно им позволить схватиться перед погружением.

Когда образец помещен в воду, нужно внимательно следить, чтобы воздушные пузырьки не задерживались под образцом. Охлажденный запарафинированный образец взвешивают, затем запарафинированный образец взвешивают в сосуде с водой. Для этого над чашей весов устанавливают подставку для сосуда с водой так, чтобы исключить ее касание к чаше весов (или снимают подвес, уравновесив весы допол­нительным грузом). К коромыслу подвешивают образец и опускают в сосуд с водой. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду. При этом образец не должен касаться дна и стенок сосуда.

Условные обозначения: 1 – поддерживающая рама, 2 – подставка, 3 – запарафинированный образец, 4 – весы

Рис. 4.8. Метод определения плотности взвешиванием в воде [130]

Допускается применять метод обратного взвешивания: на чашу циферблатных весов устанавливают сосуд с водой и взвешивают его. Затем в жидкость погружают образец, подвешенный к штативу, и вновь взве­шивают сосуд с водой и погруженным в нее образцом. Весы должны поддерживаться подставкой или платформой над контейнером так, чтобы было достаточное свободное расстояние между подставкой и верхом контейнера (рис. 4.8). Контейнер должен быть заполнен водой почти до верха. Испытываемый образец должен полностью погружаться в воду, чтобы подвеска висела в воде, не касаясь ни дна, ни стенок контейнера.

Взвешенный образец вынимают из воды, промокают фильтровальной бумагой и взвешивают для проверки герметичности оболочки. Если масса образца увеличилась более чем на 0,02 г по сравнению с первоначальной, образец следует забраковать и повторить испытание с другим образцом.

Плотность грунта , г/см³ вычисляют по формуле

где т – масса образца грунта до парафинирования, г; m₁ – масса парафинированного образца грунта, г; m₂ – результат взвешивания образца в воде (разность масс парафинированного образца и вытесненной им воды), г; _p – плотность парафина, принимаемая равной 0,900 г/см³; _w – плотность воды при температуре испытаний, г/см³.

При применении метода обратного взвешивания плот­ность грунта вычисляют по формуле:

где т – масса образца грунта до парафинирования, г, _p – плотность парафина, принимаемая равной 0,900 г/см³; _w – плотность воды при температуре испытаний, г/см³, m₃ – масса сосуда с водой, г; m₄ – масса сосуда с водой и погруженным в нее пара­финированным образцом, г.

Для плотных скальных и полускальных грунтов пористость которых составляет доли процента или 1–2 % объемный вес можно определять без парафинирования [76].

Метод вытеснения жидкости. Металлический контейнер должен быть установлен на основании, и в него должна быть налита вода до уровня, выше, чем уровень поддерживаемый сифоном. Приемник для вытесненной воды должен быть взвешен с точностью до 0,1 г, и установлен ниже выходного конца сифона.

Образец грунта должен быть взвешен с точностью до 0,1 г. Все поверхностные пустоты должны быть заполнены нерастворимым в жидкости материалом. Впадины от выпавших камней не должны заполняться. Если необходимо, образец может быть полностью покрыт повторным погружением в расплавленный парафин. Запарафинированный образец нужно остудить и взвесить с точностью до 0,1 г.

Условные обозначения: 1 – уровень вытесненной из контейнера воды, 2 –уровень воды в контейнере, 3 – трубка сифона, 4 – кран, 5 – запарафинированный образец, подвешенный на проволоке, 6 – приемник с вытесненной водой

Рис. 4.9. Метод определения плотности вытеснением жидкости [130]

Образец грунта должен быть полностью погружен в контейнер, кран на сифоне должен быть открыт, чтобы позволить стечь вытесненной жидкости в приемник, затем приемник с жидкостью должен быть взвешен с точностью до 0,1 г.

Представительную часть образца, свободную от парафина, пластилина или шпаклевки отбирают для определения влажности.

Метод взвешивания образца в нейтральной жидкости [44] применяется для определения плотности мерзлых тонкодисперсных грунтов с тонкослоистой и мелкосетчатой криогенными текстурами при толщине минеральных прослоек не более 0,5 см. Взвешивают образец в сосуде емкостью 1000 см³ на две трети заполненном нейтральной жидкостью. В процессе работы измеряется температура жидкости и ее плотность, с коромысла технических весов снимают левую дужку с чашкой и уравновешивают весы мешочком с дробью, подвешенным на крючок левой дужки. Пробу мерзлого грунта объемом не менее 50 см³ перевязывают капроновой ниткой, подвешивают к левой серьге весов и взвешивают. На подставку весов с левой стороны помешают сосуд с нейтральной жидкостью, пробу мерзлого грун­та погружают в жидкость на глубину не менее 5–7 см и вновь взвешивают. Проба мерзлого грунта при взвешивании не должна соприкасаться с дном и стенками сосуда. После взвешивания мерзлого монолита в воздухе и затем в нейтральной жидкости определяют об­щую плотность мерзлого грунта. Точность измерения плотности составляет 0,02 г/см³.

Нейтральная жидкость, используемая для определения объема грунта, должна иметь температуру замерзания ниже температуры замерзания этого грунта, не реагировать с грунтом и не раство­рять лед. Обычно в качестве нейтральной жидкости применяются керосин, глицерин, толуол и лигроин. Плотность этих жидкостей устанавливается ареометром.

Метод обмера образцов правильной геометрической формы [86] (объемный метод) применяется для определения плотности скальных и мерзлых грунтов. При отборе монолита ему придают определенную форму, позволяющую установить объем грунта в ненарушенном сложении. Отобранная проба грунта взвешивается и устанавливаются общая плотность грунта, а после его высушивания до постоянно­го веса – плотность скелета грунта. Обычно при определении плотности грунта монолитам придают форму куба или параллелепипеда. Для определения при­ближенного значения  по монолитам (объемом не менее 50 см³), извлеченным из буровых скважин, измеряется их диаметр, высота (с точностью до 0,01 см) и масса.

Метод лунки (объемный метод) [38] применяют для определения общей плот­ности мерзлых дисперсных пород с массивной и шлировой криогенными текстурами и для крупнообломочных пород (рис. 4.10). Метод используется при ра­боте в открытых горных выработках. Дно выработки выравнива­ют и зачищают. В дне шурфа делают углубление – лунку размером не менее 30 х 30 х 30 см. Выбранный из лунки грунт взвешивают на чашечных весах с точностью до 1,0 г. После отбора грунта дно лунки выстилается синтетической пленкой (рис. 4.10, а), затем лунку заполняют водой или засыпают сухим песком с размером зерен от 0,5 до 3,0 мм. Мерный песок должен быть однородным и чистым. Измеряют объем песка или объем воды, необходимый для заполнения лунки, и таким обра­зом устанавливают объем извлеченного из лунки грунта. Опреде­лив массу грунта и его объем, вычисляют общую плотность грунта.

Радиоизотопные методы применяются, в основном, для измерения плотности грунтов в условиях естествен­ного залегания. Существует два метода измерения плотности с использованием гамма-излучения: гаммаскопический метод и метод рассеянного гамма-излучения. В качестве источников гамма-излучения используются главным образом изотопы цезий-137 и кобальт-60.

Гаммаскопический метод основан на ослаблении интенсивности пучка гамма-квантов в зависимости от плотности вещества, через которое проходит пучок. На практике используются три ва­рианта гаммаскопического метода: а – источник и детектор гам­ма-излучения размещаются в параллельных скважинах в грунте; б – детектор излучения находится на поверхности, а источник – в грунте; в – источник и детектор излучения находятся по обе стороны от исследуемого объекта (образца, монолита и т. п.) [86]. Гаммаскопический метод применим для измерения плотности грунтов до глубины 1,5–2,0 м.

Метод рассеянного гамма-излучения [86] используется для измере­ний плотности грунтов в скважинах. Если в скважину поместить источник гамма-квантов и на некотором расстояния от него де­тектор, то часть гамма-квантов, попадающих из скважины в грунт за счет рассеяния на электронах атомов грунта, будет возвращаться в скважину и регистрироваться детектором. Для измерения плотности радиоизотопными методами отече­ственной промышленностью выпускались радиоизотопный влагоплотномер УР–70 и поверхностно-глубинный плотномер ППГР–1, предназначенные для скважинных измерений до глубины 30 м. Для измерения плотности верхнего слоя грунта до глубины 0,3 м используется плотномер типа ИОМР–2. Точность измерения плот­ности колеблется в пределах ±(0,02–0,04) г/см³ в зависимости от типа прибора. Время измерения в одной точке не превышает 3 минут.

В целом, величина плотности дисперсных грунтов колеблется от 1,30 до 2,20 г/см³. Грунты, характеризующиеся наличием жестких кристаллизационных связей между частицами, обладают большой плотностью, величина которой при малой пористости приближается к значениям у твердых частиц. Так, плотность магматических пород изменяется в пределах 2,50–3,40 г/см³ (возрастает от кислых пород к основным и ультраосновным); аргиллитов и алевролитов – 2,20–2,55; известняков – 2,40–2,65; мергелей – 2,10–2,60; песчаников – 2,10–2,40 г/см³. Плотность обводненных торфов из-за малой плотности скелета изменяется от 1,02 до 1,10 г/см³.

Величина плотности грунта зависит от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости) грунтов: с увеличением содержания тяжелых минералов плотность грунта увеличивается, а при увеличении содер­жания органических веществ уменьшается; с увеличением влажности плот­ность грунта возрастает: максимальной при данной пористости она будет в случае полного заполнения пор водой; с увеличением пористости плот­ность грунта уменьшается.

Плотность значительной части осадочных пород в большей степени зависит от их пористости и влажности и в гораздо меньшей степени – от минерального состава, что объясняется широкими пределами изменения пористости (влажности и газонасыщенности) этих пород, резким отличием плотности твердой, жидкой и газообразной составляющих и сравнительно постоянной плотностью наибо­лее распространенных породообразующих минералов. Величина же плотности грунта магматических, метаморфических и в значительной части хемогенных пород в основном определяется их минеральным составом, так как порис­тость этих пород обычно незначительна [50].

Плотностью твердых частиц грунта р_s, г/см³ или кг/м³, называют массу твердой компоненты, представленной минеральной (или органической) составляющей, в единице объема грунта, представленного только твердой компонентой:

Величина плотности твердых частиц грунта определяется минеральным составом, присутствием органических и органоминеральных веществ и пред­ставляет собой средневзвешенную плотность этих компонент грунта при отсутствии пустот и влаги.

Определение плотности твердых частиц грунта пикнометрическим методом [44]. Образец грунта в воздушно-сухом состоянии размель­чают в фарфоровой ступке, отбирают методом квартования сред­нюю пробу массой 100–200 г и просеивают сквозь сито с сеткой № 2, остаток на сите растирают в ступке и просеивают сквозь то же сито. Из перемешанной средней пробы берут навеску грунта из расчета 15 г на каждые 100 мл емкости пикнометра и высушивают до постоянной массы. Навеску заторфованного грунта или торфа следует отбирать из средней пробы из расчета 5 г сухого грунта на каж­дые 100 мл емкости пикнометра, которая в этом случае должна быть не менее 200 мл. Допускается использовать грунт в воздушно-сухом состоянии, определив его гигроскопическую влажность.

Пикнометр, наполненный на ¹/₃ дистиллированной во­дой, взвешивают. Затем через воронку всыпают в него высушен­ную пробу грунта и снова взвешивают, взбалтывают и ставят кипятить на песчаную баню. Продолжительность спокойного ки­пячения (с момента начала кипения) должна составлять: для песков и супесей – 0,5 ч, для суглинков и глин – 1 ч. После кипячения пикнометр следует охладить до комнатной температуры и долить дистиллированной водой до мерной риски на горлышке, чтобы низ мениска совпадал с ней. Пикнометр вытирают снаружи и взвешивают. Далее выливают содержимое пикнометра, наливают в него дистиллированную воду и выдерживают в ванне с водой при той же температуре и взвешивают.

Плотность частиц грунта _s, г/см³, вычисляют по формуле:

где m₀ – масса сухого грунта, г; m₁ – масса пикнометра с водой и грунтом после кипячения при температуре испытания, г; m₂ – масса пикнометра с водой при той же температуре, г; _w – плотность воды при той же температуре, г/см³.

В случае использования грунта в воздушно-сухом состоянии т₀ вычисляют по формуле:

где т – масса пробы воздушно-сухого грунта, г; w_g – гигроскопическая влажность грунта, %.

При определении _s грунта следует учитывать: возможность растворения простых солей в процессе определения, в результате чего получаются заниженные значения _s; во избежание этого при определении удельного веса засоленных грунтов вода заменяется нейтральными жидкостями (керосин, бензин, толуол и др.); возможность сильного сжатия слоя воды вокруг коллоидальных частиц глин, вызываемого молекулярными силами притяжения, в результате чего получаются завышенные значения; для предотвращения этого следует применять жидкости с небольшим поверхностным натяжением (толуол, ксилол и др.); возможность неполного удаления адсорбированного на поверхности частиц воздуха, в результате чего получаются заниженные значения.

В соответствии с плотностью наиболее распространенных породообразующих ми­нералов плотность твердых частиц большинства грунтов изменяемся от 2,50 до 2,80 г/см³. Она увеличивается с повышением содержания в грунтах тяжелых минералов, поэтому у основных и ультраосновных пород плотность существенно выше (3,00–3,74 г/см³), чем у кислых (например, у гранитов 2,63–2,75 г/см³, чаще 2,65–2,67 г/см³). В табл. 4.6 приведены ориентировочные значения плотностей частиц дисперсных грунтов, не содержащих водорастворимых солей и органических веществ. Указанные средние значения обычно принимаются в отсутствие прямых определений плотности твердых частиц для расчета серии показателей свойств грунтов, в частности, пористости и коэффициента пористости.

Таблица 4.6

Значения плотности частиц дисперсных грунтов

Тип грунта	Среднее значение плотности частиц ρs, г/см3
Пески	2,65
Супеси	2,70
Суглинки	2,71
Глины	2,74
Торф	1,50

Наличие органических веществ резко снижает плотность твердых частиц грунта, поскольку их плотность невелика по сравнению с минеральной компонентой. Именно поэтому плотность твер­дой компоненты торфов, заторфованных грунтов и почв существенно ниже по сравнению с минеральными грунтами [50].

У торфов _s изменяется от 1,20 до 1,89 г/см³, у нормальнозольных торфов до 1,84 г/см³, у заторфованных грунтов до 2,08 г/см³. Более часто встречаются значения _s в интервале от 1,4 до 1,6 г/см³, в расчетах принимается 1,5 г/см³. Минимальные значения показателя при близких значениях зольности отмечены у торфов древесной группы и торфов, содержащих древесные остатки, максимальные у торфов моховой группы [70].

В связи с трудоемкостью определения плотность частиц торфа можно рассчитать по формуле [69]:

_s =100· _{s орг} · _{s золы} /(100 _{s золы} – D_as (_{s золы} –_{s орг})).

Учитывая, что плотность органических частиц _s орг = 1,5 г/см³, плотность минеральных частиц в среднем  _{s золы}= 2,65 г/см³, то формула упрощается:

_s = 345/(230–D_as).

С ростом содержания солей в дисперсных засоленных грунтах плотность твердых частиц становится меньше. Нормативные значения плотности частиц грунтов в зависимости от характера засоления приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Нормативные значения плотности частиц засоленных грунтов [111]

Содержание солей, %	Плотность частиц грунта s, г/см3при типе засоления:
	NaCl	Na2SО4	Na2CO3	MgCl2	MgSO4	CaCl2	NaCl+MgSO4
0	2,67
3	2,66	2,67	2,65	2,65	2,67	2,67	2,67
5	2,66	2,67	2,64	2,64	2,65	2,65	2,65
7	2,64	2,64	2,62	2,62	2,64	2,63	2,64
10	2,64	2,61	2,59	2,59	2,62	2,61	2,62

Плотностью скелета грунта р_d, г/см³ или кг/м³, называют массу твердой компоненты в единице объема грунта, высушенного при температуре 105°С, при естественной (ненарушенной) структуре:

Величина плотности скелета грунта используется для вычисления пористости, коэффициента пористости, а также для характеристики степени уплотненности глинистых грунтов в насыпных сооружениях.

Плотность скелета грунта определяется экспериментально или чаще вычисляется по величинам плотности грунта (р) и влажности (w) по формуле:

По плотности скелета _d грунты все грунты подразделяют на разновидности, согласно табл. 2.2 [34].

Степень плотности грунта I_D. При строительстве насыпей, дамб обвалования, земляных плотин и других насыпных земляных сооружений необходимо знать плотность грунтов при рыхлом и плотном сложении. Песчаные грунты могут существенно различаться по степени плотности или характеру сложения. Например, в зависимости от характера укладки шаров одинакового размера пористость системы может меняться от 47,64 % при наиболее рыхлой кубической укладке до 25,95 % при наиболее плотной тетраэдрической укладке (рис. 4.11). В реальных песчано-пылеватых грунтах из-за различия размеров их частиц пористость меняется в более широких пределах – от 8–10 до 80 %.

Для песчаных грунтов, для которых не всегда возможно практически определить плотность скелета при естественной структуре, часто проводят ее определение на воздушно-сухих образцах с нарушенным сложением при двух состояниях: предельно рыхлом и плотном.

Рис. 4.11. Идеальные модели укладки частиц рыхлых и плотных песчаных грунтов

Для количественной оценки плотности сложения песков используется показатель относительной плотности или степень плотности (I_D), определяемый по формуле:

где е – коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении; e_max – коэффициент пористости в предельно-плотном сложении; e_min – коэффициент пористости в предельно-рыхлом сложении.

Для подсчета I_D необходимо иметь дан­ные результатов полевых определений величины е и для этого грунта в лабораторных условиях определить e_max и e_min. Для нахождения e_min обычно используют рыхлую отсыпку грунта в мерный сосуд, а для определения e_max – динамические методы уплотнения грунта в мерном сосуде.

По степени плотности I_D пески подразделяют согласно табл. 2.3 [34]. При I_d = 0 грунт находится в самом рыхлом состоя­нии, а при I_d = 1 грунт имеет самое плотное сложение.

Различные по зерновому составу грунты имеют существенно от­личные значения e_max и e_min, причем с увеличением крупности они уменьшаются. На предельные значения коэффициентов пористости не меньшее влияние оказывает форма частиц, и с увеличением окатанности и сферичности они уменьшаются, поэтому использование в качестве характеристики плотности сложения величины относи­тельной плотности I_d учитывающей как зерновой состав, так и форму частиц, дает наиболее объективный критерий плотности сло­жения.

Для определения характеристик уплотненного грунта применяют метод определения максимальной плотности, который заключается в установлении зависимости плотности скелета грунта от его влажности при трамбовании образцов с постоянной затратой работы на их уплотнение и в определении по этой зависимости максимальной величины плотности скелета грунта (_макс). Влажность, при которой достигнута максимальная плотность скелета грунта, является оптимальной влажностью (w_опт).

Метод лабораторного определения максимальной плотности [28]. Метод стандартного уплотнения заключается в установлении зависимости плотности сухого грунта от его влажности при уплотнении образцов грунта с постоянной работой уплотнения и последовательным увеличением влажности грунта.

В состав установки (рис. 4.12) для испытания грунта методом стандартного уплотнения должны входить: устройство для механизированного или ручного уплотнения грунта падающим с постоянной высоты грузом; форма для образца грунта. Конструкция устройства для уплотнения грунта должна обеспечивать падение груза массой (2500±25) г по направляющей штанге с постоянной высоты (300±3) мм на наковальню диаметром (99,8–0,2) мм. Отношение массы груза к массе направляющей штанги с наковальней должно быть не более 1,5. При механизированном способе уплотнения в состав устройства должен входить механизм подъема груза на постоянную высоту и счетчик числа ударов. Установка должна размещаться на жесткой горизонтальной плите (бетонной или металлической) массой не менее 50 кг. Отклонение поверхности от горизонтали не должно быть более 2 мм/м.

Форма для образца грунта должна состоять из цилиндрической части, поддона, зажимного кольца и насадки. Цилиндрическая часть формы должна иметь высоту (127,4±0,2) мм и внутренний диаметр (100,0+0,3) мм. Временное сопротивление металла цилиндрической части формы должно быть не менее 400 МПа. Цилиндрическая часть формы может быть цельной или состоящей из двух разъемных секций.

Для испытания грунта методом стандартного уплотнения используют образцы грунта нарушенного сложения, отобранные из горных выработок (шурфов, котлованов, буровых скважин и т.п.), в обнажениях или в складируемых массивах.

Необходимая для подготовки пробы грунта масса образца грунта нарушенного сложения при естественной влажности должна быть не менее 10 кг при наличии в грунте частиц крупнее 10 мм и не менее 6 кг – при отсутствии частиц крупнее 10 мм. Представленный для испытания образец грунта нарушенного сложения высушивают при комнаткой температуре или в сушильном шкафу до воздушно-сухого состояния. Высушивание в сушильном шкафу несвязных минеральных грунтов допускается производить при температуре не более 100 °С, связных – не более 60 °С. В процессе сушки грунт периодически перемешивают. Размельчают агрегаты грунта (без дробления крупных частиц) в растирочном устройстве или в фарфоровой ступке.

Грунт взвешивают и просеивают через сита с отверстиями диаметром 20 мм и 10 мм. При этом вся масса грунта должна пройти через сито с отверстиями диаметром 20 мм. Взвешивают отсеянные крупные частицы. Если масса частиц грунта крупнее 10 мм составляет 5 % и более, дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито 10 мм. Если масса частиц грунта крупнее 10 мм составляет менее 5 %, производят дальнейшее просеивание грунта через сито с отверстиями диаметром 5 мм и определяют содержание частиц крупнее 5 мм. В этом случае дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито 5 мм.

Из отсеянных крупных частиц отбирают пробы для определения их влажности и средней плотности частиц. Из грунта, прошедшего через сито, отбирают пробы для определения его гигроскопической влажности. Вычисляют содержание в грунте крупных частиц К, %, с точностью 0,1 % по формуле:

где m_k – масса отсеянных крупных частиц, г; w_g – влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %; m_p – масса образца грунта в воздушно-сухом состоянии, г; w_k – влажность отсеянных крупных частиц, %.

Из просеянного грунта отбирают методом квартования пробу грунта для испытания (m_p’) массой 2500 г. Допускается проводить весь цикл испытаний с использованием одной отобранной пробы. Помещают отобранную пробу в металлическую чашку для испытаний.

а) б) в)

Рис. 4.12. Приборы для стандартного уплотнения грунтов: а) прибор ООО Геотек [140]); б) прибор Союздорнии (с двумя стаканами); в) схема прибора Союздорнии [28]: 1 – поддон; 2 – разъемный цилиндр емкостью 1000 см3; 3 – кольцо; 4 – насадка; 5 – наковальня; 6 – груз массой 2,5 кг; 7 – направляющий стержень; 8 – ограничительное кольцо; 9 – зажимные винты

Рассчитывают количество воды Q, г, для доувлажнения отобранной пробы до влажности первого испытания по формуле:

(4.2)

где m_p’ – масса отобранной пробы, г; w₁ – влажность грунта для первого испытания, назначаемая по табл. 4.8, %; w_g – влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %.

Таблица 4.8

Значения влажности грунта для первого испытания

Грунты	Влажность грунта для первого испытания w1, %
Песок гравелистый, крупный и средней крупности	4
Песок мелкий и пылеватый	6
Супесь, суглинок легкий	6–8
Суглинок тяжелый, глина	10–12

В отобранную пробу грунта вводят рассчитанное количество воды за несколько приемов, перемешивая грунт металлическим шпателем, затем переносят пробу грунта из чашки в эксикатор или плотно закрываемый сосуд и выдерживают ее при комнатной температуре не менее 2 ч для несвязных грунтов и не менее 12 ч – для связных грунтов.

Цилиндрическую часть формы (заранее взвешенную) устанавливают на поддон, не зажимая ее винтами, устанавливают зажимное кольцо на верхний бортик цилиндрической части формы, зажимают цилиндрическую часть формы попеременно винтами поддона и кольца, протирают внутреннюю поверхность техническим вазелином. Собранную форму устанавливают на плиту основания и проверяют сносность направляющей штанги и цилиндрической части формы и свободный ход груза по направляющей штанге.

Испытание проводят последовательно увеличивая влажность грунта испытываемой пробы. При первом испытании влажность грунта должна соответствовать значению, установленному в табл. 4.11. При каждом последующем испытании влажность грунта следует увеличивать на 1–2 % для несвязных грунтов, на 2–3 % – для связных грунтов.

Количество воды для увлажнения испытываемой пробы определяют по формуле (4.2), принимая в ней за w_g и w₁ соответственно влажности при предыдущем и очередном испытаниях.

Испытание пробы грунта проводят в следующем порядке: пробу переносят из эксикатора в металлическую чашку и тщательно перемешивают; слой грунта толщиной 5–6 см загружают в собранную форму из пробы и слегка уплотняют рукой его поверхность. Уплотнение производят 40 ударами груза по наковальне с высоты 30 см, зафиксированной на направляющей штанге. Аналогичную операцию производят с каждым из трех слоев грунта, последовательно загружаемых в форму. Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего уплотненного слоя взрыхляют ножом на глубину 1–2 мм. Перед укладкой третьего слоя на форму устанавливают насадку; после уплотнения третьего слоя снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта не должна быть более 10 мм. Если выступающая часть грунта превышает 10 мм, необходимо выполнить дополнительное число ударов из расчета один удар на 2 мм превышения.

Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления вследствие выпадения крупных частиц заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом.

Взвешивают цилиндрическую часть формы с уплотненным грунтом (m_i) и вычисляют плотность грунта ρ_i, г/см³, по формуле:

где m_i – масса цилиндрической части формы с уплотненным грунтом, г; m_c – масса цилиндрической части формы без грунта, г; V – вместимость формы, см³.

Уплотненный образец грунта извлекают из цилиндрической части формы, при этом из верхней, средней и нижней частей образца отбирают пробы для определения влажности грунта. Извлеченный из формы грунт присоединяют к оставшейся в чашке части пробы, измельчают и перемешивают. Размер агрегатов не должен превышать наибольшего размера частиц испытываемого грунта.

Повышают влажность пробы, после добавления воды грунт тщательно перемешивают, накрывают влажной тканью и выдерживают не менее 15 мин для несвязных грунтов и не менее 30 мин – для связных грунтов. Второе и последующие испытания грунта следует проводить в соответствии с порядком, изложенным ранее.

Испытание следует считать законченным, когда с повышением влажности пробы при последующих двух испытаниях происходит последовательное уменьшение значений массы и плотности уплотняемого образца грунта, а также, когда при ударах происходит отжатие воды или выделение разжиженного грунта через соединения формы. Уплотнение однородных по гранулометрическому составу и дренирующих грунтов прекращают после появления воды в соединениях формы независимо от числа ударов при уплотнении образца.

По значениям плотности и влажности грунта, полученным в результате последовательных испытаний, вычисляют значения плотности сухого грунта ρ_di, г/см³, с точностью 0,01 г/см³ по формуле:

ρ_di =ρ_i /(1+0,01w_i)

где ρ_i – плотность грунта, г/см³; w_i – влажность грунта при очередном испытании, %.

Результаты испытаний представляют в виде графиков зависимости плотности сухого грунта от влажности (рис. 4.13). По наивысшей точке графика для связных грунтов находят значение максимальной плотности и соответствующее ему значение оптимальной влажности.

Для несвязных грунтов график стандартного уплотнения может не иметь заметно выраженного максимума. В этом случае значение оптимальной влажности принимают на 1,0–1,5 % менее влажности w_i, при которой происходит отжатие воды. Значение максимальной плотности принимают по соответствующей ей ординате. При этом 1,0 % принимают для песков гравелистых, крупных и средней крупности; 1,5 % – для мелких и пылеватых песков.

Если в грунте содержались крупные частицы, которые перед испытанием были удалены из пробы, то для учета влияния их состава корректируют установленное значение максимальной плотности сухого грунта по формуле:

где ρ_k – плотность крупных частиц, г/см³; K – содержание крупных частиц в грунте, %.

Значение оптимальной влажности грунта w’_opt, %, определяют по формуле:

w’_opt =0,01w_opt(100–K).

Для контроля правильности испытания связных грунтов строят «линию нулевого содержания воздуха», показывающую изменение плотности сухого грунта от влажности при полном насыщении его пор водой. Пары чисел ρ_di и w_i для построения «линии нулевого содержания воздуха» при плотности частиц грунта ρ_s определяют, задаваясь значениями влажности, по формуле:

где ρ_s – плотность частиц грунта, г/см³; ρ_w – плотность воды, равная 1 г/см³.

Нисходящая часть графика стандартного уплотнения не должна пересекать «линию нулевого содержания воздуха».

а)
б)

Рис. 4.13. Графики определения максимальной плотности и оптимальной влажности: а) связных и б) несвязных грунтов

Число последовательных испытаний грунта при увеличении его влажности должно быть не менее пяти и достаточным для выявления максимального значения плотности сухого грунта по графику стандартного уплотнения. Допустимое расхождение между результатами параллельных определений, полученными в условиях повторяемости, не должно превышать для максимального значения плотности сухого грунта 1,5 %, для оптимальной влажности – 10 % [28].

Для определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта (согласно BS, ASTM и другим зарубежным стандартам) применяются метод Проктора и метод Проктора модифицированный. Процедура испытаний по методу Проктора и их обработка аналогичны вышеприведенной методике, требования к грунтам и оборудованию также близки: диаметр частиц не более 20 мм; вес молота согласно BS составляет 2,5 кг (или 4,5 кг), высота падения 300 (или 450 мм), согласно ASTM вес молота – 2,5 кг (или 4,5 кг), высота падения 305 (или 457 мм). Различия между росийским стандартом и зарубежными заключаются в том, что диаметр молота в зарубежных устройствах – 50 мм, а в отечественных приборах диаметр молота соответствует внутреннему диаметру стакана – 99,8 мм. Молот для ручного и для автоматического уплотнения грунта фирмы ELE, а также график для определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта согласно ВS приведены на рис. 4.14 [136].

Приведение значений максимальной плотности и оптимальной влажности для основных разновидностей грунтов, определяемых методом стандартного уплотнения, к значениям, полученным методами Проктора, осуществляют путем умножения на переходные коэффициенты, приведенные в табл. 4.9.

Таблица 4.9

Коэффициент приведения значений максимальной плотности и оптимальной влажности грунта к значениям, полученным методами Проктора

Метод испытания грунта	Разновидность грунта
	Песок		Супесь		Суглинок		Глина
	ρdmax	wopt	ρdmax	wopt	ρdmax	wopt	ρdmax	wopt
Метод Проктора стандартный	1,0	1,0	0,99	1,02	0,96	1,03	0,97	1,02
Метод Проктора модифицированный	1,02	0,87	1,05	0,84	1,06	0,85	1,06	0,88

Р

а)	в)
б)

Рис. 4.14. Метод Проктора: а) прибор Проктора для ручного уплонения грунта, б) механизм для автоматического уплотнения грунта, в) график для определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта [136]

езультаты испытаний также представляют в виде графиков зависимости плотности сухого грунта от влажности (рис. 4.14). За оптимальную влажность принимают влажность соответствующую максимальной плотности.