2. Фізичні властивості грунтів, класифікація грунтів

за фізичними властивостями

2.1. Основні характеристики фізичних властивостей грунтів,

відбір зразків

Фізичні властивості грунтів характеризують їх фізичний стан в умовах

природного (непорушеного) залягання.

Дослідження властивостей грунтів передбачає отримання матеріалу гірських порід

для визначення показників їх фізико-технічних властивостей - відбір проб.

Кількість відібраного грунту повинно бути таким, щоб склад і властивості проби

відповідали складом і властивостями опробуемого шару. Чим більше неоднорідний грунт, тим

більше повинна бути проба. Її розмір повинен відповідати технологічним потребам

лабораторних досліджень, а загальна маса матеріалу повинна бути достатньою для всьо-

го комплексу лабораторних робіт.

Відбираються проби можуть бути з порушеним або непорушеним складанням (моно-

літ). Чим менше порушується структура грунту в процесі його відбору і на всьому шляху сліду-

вання до лабораторії, тим більше буде вірогідність показників.

Проби та моноліти відбирають з оголень (місць виходу гірських порід на земну по-

верхню) і з гірських виробок (свердловин, шурфів, штолень, траншей, розчисток і т. д.).

Оскільки при порушенні структурних зв'язків грунту його властивості змінюються, ре-

тельно вивчати стан грунту при непорушеною структурою.

Буріння свердловин є основним видом розвідувальних робіт при інженерно-

геологічних і гідрогеологічних дослідженнях.

Свердловина - це циліндрична вертикальна (іноді похила або гори-

зонтальна) гірнича виробка малого діаметра, виконувана буровим інструментом.

Початкової точку свердловини називають гирлом, а кінцеву забоєм. Зразки гірських порід, через

залучається з свердловини, називають керном, якщо вони представляють собою моноліти цилінд-

річної форми, або шламом, якщо порода роздроблена.

Діаметр свердловин, що використовуються при інженерно-геологічних вишукуваннях, зазвичай

знаходиться в межах від 34 до 273 мм (для гідрогеологічних цілей - більше). Глибина

свердловин визначається завданнями досліджень і для інженерно-будівельної цілей рідко

перевищує 30 м, а при пошуку вод для водопостачання може бути більше 800 м.

До переваг буріння відносять високу швидкість проходки, можливість досягнень

великих глибин, механізацію операцій, мобільність установок. Недоліками ме-

тода є неможливість огляду стінок свердловини, невеликий розмір зразків, необ-

хідності промивки свердловини при бурінні.

Після закінчення польових робіт з свердловин витягують інструмент і обсадні труби, ви-

ництва ретельно цементують, грунт утрамбовують, а поверхня землі вирівнюють.

Проходка шурфів здійснюється шляхом руйнування порід у забої гірничої виробки

й виведення їх на поверхню Землі. При невеликих обсягах робіт руйнування

маломіцних порід роблять вручну. В інших випадках можливе використання пнев-

тематичних молотків і навіть вибухових речовин. В даний час широко впроваджується

механізований спосіб проходки шурфів круглого перерізу - дудок - за допомогою спеці-

альних шурфопрохідних установок.

Недоліком шурфів є висока вартість і трудомісткість робіт, особливо в

скельних гірських породах. У малостійкі породах стінки шурфів доводитися зміцнювати.

При проходці водонасичених порід організують водовідлив. Після закінчення польових робіт

шурфи ліквідують аналогічно свердловинах (засипка, трамбування).

З відкритих гірничих виробок і оголень моноліти вирізують у формі куба або

паралелепіпеда зі сторонами не менше 100 мм і не більше 250 мм за допомогою ножа

(див. рис. 2.1). Шурфи дозволяють детально вивчити геолого-літологічний розріз участ-

ка, відібрати будь-які за розміром зразки грунтів і проводити досвідчені польові роботи.

Консервація зразків. З метою збереження природної вологості, відібрані мо-

ноліти і проби підлягають негайній консервації способом парафінування. Моноліт

або керн обмотують двома шарами марлі, грубозернисті і пористі грунти завертають

в поліетилен.

Транспортування проб. Порушені зразки відправляють в лабораторію в жорстких

обоймах (металевих або пластмасових банках). Відкриті межі зразків закривають

герметичними кришками, горловину банки парафінують. Якщо не потрібно зберегти

вологість, зразки поміщають в мішечки або в ящики, забезпечивши двома етикетками.

Зберігання проб. Зразки зберігають при температурі не менше 2 º С і не більше 20 º С при

відносної вологості не більше 80%. Моноліти грунтів текучепластічної і

м'якопластичної консистенції зберігають не більше 45 днів з дня відбору до лабораторних випробувань. Зразки напівтвердої і твердої консистенції можна зберігати до 90 днів (при

температурі вище 20 º С - до 15 днів).

Рис. 2.1. Відбір монолітів грунту:

1 - стінки шурфу, 2 - останець, 3 - моноліт, 4 - місце зрізу;

5 - вирізаний моноліт, 6 - контейнер

Підготовка проб до дослідження. Для безпосередньої підготовки проби до аналізу її скорочують методом квартування. Для цього із загальної проби повітряно-сухого грунту

відбирають не менше 100 г дрібно-і середньозернистих пісків, не менше 400 г крупнозернистих

пісків і гравію, не менше 4 кг щебеню і гальки. Грунт ретельно перемішують і розпри-

діляют по рівній поверхні шаром близько 0,5 см. Потім двома взаємно перпендикулярни-

ми лініями поділяють на 4 рівні частини - квадранти. Два протилежних по діагоналі

квадранта залишають як скороченою проби, два інших видаляють. Ці дії

продовжуються до тих пір, поки не залишається необхідний об'єм грунту.

Показники деяких фізичних властивостей грунтів можуть визначатися безпосередньо в польових умовах без відбору зразків із застосуванням непрямих способів досліджу-

вання, наприклад, зондування.

Також безпосередньо у польових умовах (візуально) можна попередньо визна-

чити вид грунту (табл. 2.1).

Найбільш прийнятними для подальшого використання в розрахунках слід вважати

показники (характеристики) визначень, вироблених для даних конкретних різно-

видності грунтів.

Однак через брак результатів таких визначень можна скористатися результа-

тами випробувань аналогічних грунтів, але досить близьких до тих, які залягають в ос-

нувані споруди. Можна іноді скористатися результатами, отриманими в даній

місцевості і в інший час раніше або, нарешті, результатами інших статистичних обоб-

щений. Все це залежить від важливості, призначення та категорії об'єкта.

Внаслідок неоднорідності будь-якого розглянутого шару грунту і помилок при вимі-

реннях під час експериментального визначення характеристик грунту ці величини нахо-

дять багато разів, і отримані результати обробляють методами математичної стати-

стики.

Мінімально в математичній статистиці прийнято вважати достатньо 6 визначень.

Однак чим більша кількість результатів визначень введено в формулу для ста-

статистично знаходження середнього значення, тим «точніше» виявляється результат.

Нормативними вважаються середні значення показників або характеристик, визна-

чається як середньоарифметичні. Якщо характеристику позначити через X,

а Xi - значення, отримане в одному з дослідів, число яких n, то середнє значення буде

Щоб використовувати в розрахунку характеристику, слід знайти її розрахункове значення

- Безрозмірний коефіцієнт надійності. Для фізичних характеристик

грунту коефіцієнт надійності часто приймається γn = 1. При переході до розрахункового значення враховується, що середнє значення внаслідок

неоднорідності грунту і обмеженого числа визначень може містити помилку, кото-

раю повинна бути виключена. Помилки можуть бути прямими, пов'язаними із застосуванням не-

правильної методики визначення, чи поганий апаратурою - це помилки систематичні.

Для грунтів характерно властивість флуктуації, тобто випадкових відхилень величин харак-

теристик, які характеризують систему з великого числа елементів, від їх середнього зна-

чення. Помилки, точніше відскоки, можуть бути великими. Такі помилки називаються грубими,

і ці величини виключаються з подальшого розгляду.

21

помилки ε

i величин, що включаються у розглянуту сукупність, з якої виклю-

чені великі випадкові відскоки, встановлюються як різниці Відносні помилки обчислюються за формулою Середні значення помилок вичисля-

ються або як або як середньоквадратичні відхилення, рівні

При випробуваннях слід виконувати вимоги відповідних державних

стандартів, якщо вони є, або різних відомчих нормативних документів. Для

випробувань використовуються стаціонарні, або польові лабораторії. Кращими

є прямі методи випробувань, але в ряді випадків використовуються результати непрямих

методів дослідження.

2.2. Основні, похідні та класифікаційні

характеристики грунту

Фізичні характеристики грунтів дозволяють кількісно оцінити їх властивості та

не залежать від застосовуваних методів розрахунку грунтових середовищ. Ряд фізичних характеристик грунтів може бути отриманий, виходячи з уявлення грунту як багатокомпонентної се-

ди, в загальному випадку складається з твердих частинок, рідини (води) і газу (рис. 2.2).

Розрізняють фізичні, міцнісні і деформаційні характеристики грунту. Фізико хімічні характеристики поділяються на основні, похідні та класифікаційні.

Основними є характеристики, що визначаються з досвіду. Решта фізичні ха-

рактеристики є розрахунковими. Введемо такі умовні позначення фізичних

величин, показаних на рис. 2.2; ρw, γw - щільність і питома вага води; g - прискорення сво-

вільною падіння.

Рис. 2.2. Модель грунту: V - об'єм зразка грунту; Vs - обсяг мінеральних частинок грунту

в обсязі V; Vn - обсяг часу в обсязі V; Vw - об'єм води в порах; G - маса зразка грунту;

Gs - маса частинок грунту (скелета); Gw - маса міститься в порах води;

Gw, р - те ж в заданому стані грунту на межі пластичності (розкочування);

Gw, L - те ж в заданому стані грунту на межі плинності

Дані про властивості грунтів для наочності наведемо у табличній формі (табл. 2.2,

2.3, 2.4).

У формулах щільність води pw звичайно приймають рівною 1 г/см3 (або 1 т/м3), питома

ний вага γw рівним 10 кН/м3. Строго кажучи, це не відповідає дійсності, так як

щільність прочносвязанной води істотно більше одиниці. Однак методика визна-

чення pw з урахуванням щільності зв'язаної води, більшою у порівнянні з вільною, поки що

не розроблена. Крім того, при малій кількості прочнозвязаної води в грунті похибки

при розрахунку невелика.

Наведені в таблицях формули для обчислення похідних і класифікаційних

фізичних характеристик грунту отримані в результаті перетворення виразів, яв-

ляющие визначеннями цих характеристик: