ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГРУНТІВ

Властивістю грунту називається притаманна даному грунту особливість, що відображає його поведінка при впливі зовнішніх факторів - сил, силових і енергетичних впливів і речових середовищ, що викликають зміни властивостей і стану грунту. Характеристика, кількісно оцінює відповідне властивість грунту, називається параметром. Вивчення властивостей ґрунтів становить в грунтознавство основу пізнання їх якостей. Якісна визначеність грунтів і відбуваються в них явищ - це те, що робить їх стійкими, що розмежовує їх і створює їх велике розмаїття в природі.

Фізичні властивості ґрунтів - це характеристики їх фізичного стану в природному заляганні і при взаємодії зі спорудами, які дозволяють якісно оцінювати їх міцність і деформованість. Фізичні властивості ґрунтів проявляються в результаті дії на них різних фізичних полів: гравітаційного, теплового, електричного. гідродинамічного і ін. Основні фізичні властивості, такі як вологість, щільність і пористість, характеризують стан грунту і є основою прогнозування механічних показників грунтів, які використовують при проектуванні споруд.

Вологість грунтів

Вологістю ґрунту називають кількість води, що міститься в порах грунту в умовах його природного залягання. Величина природної вологості є важливою характеристикою фізичного стану грунту, що визначає його міцність і поведінку під навантаженнями від споруд. Особливе значення вологість має для глинистих ґрунтів, різко змінюють свої властивості в залежності від ступеня зволоження. Природна вологість є важливим непрямим показником, необхідним для обчислення об'ємної ваги ґрунту, пористості, ступеня вологості та інших характеристик.

Об'ємна вологість (w ' "), або об'ємний вміст рідини, чисельно дорівнює відношенню обсягу води (рідини) в грунті (V *) до обсягу всього грунту ( V toi ), включаючи обсяг води і газу:

Ця величина вимірюється в%, або в д. Од., І може змінюватися від нуля для абсолютно сухого ґрунту до 100% (до 1 д. Од.) Для повністю водонасиченого грунту.

Вагова вологість (w). або вагове (масове) вміст рідини, чисельно дорівнює відношенню маси води (рідини) в грунті (m і,) до маси сухого ґрунту (md):

Об'ємна і вагова вологості пов'язані між собою співвідношенням:

де p, i - щільність скелета грунту, г / см 3 ; p w - щільність води. г / см 3 .

Величина ваговій вологості також вимірюється в%, або в д. Од., Але на відміну від об'ємної вологості має тільки нижню межу - 0% (для абсолютно сухого ґрунту).

Максимальні значення вологості відзначені у торфів - до 33 д. Од. (або 3300%) і вище. У торф'яної галузі використовується такий параметр, як волога, яка визначається як відношення маси води до маси всього вологого грунту, і в цьому випадку значення цього показника не перевищують 1 д. Од. (100%). У літературі зустрічаються описи торф'яних грунтів, вологість яких змінюється від 90 до 1000% і більше, т. Е. Інтервал включає два різних параметра - вологу і вологість вагову, хоча навіть для похованого торфу така нижня межа значень вологості не типова.

В даний час серед моголів визначення вологості найбільшого поширення набув ваговій метод, що став стандартним: вологість грунту визначається висушуванням до постійної маси при температурі 105 ° С. Цим методом виконуються дослідження грунтів для різних видів будівництва на всіх стадіях досліджень, за винятком тих випадків, коли грунти містять значну кількість рослинних залишків. Для того щоб уникнути окислення деяких органічних речовин під час сушіння, потрібні температури сушки нижче, ніж звичайні (105 ± 5) ° С, наприклад (50 ± 2,5) ° С, при яких може не відбутися видалення всієї води. Для визначення потрібної температури сушки може знадобитися проведення пробних експериментів.

Для глинистих ґрунтів для визначення вологості на межі текучості і розкочування застосовуються попередні процедури перед висушуванням грунту (табл. 4.1).

Таблиця 4.1

Методи визначення вологості грунту [40]

Обумовлена характеристика грунту

метод

визначення

грунти

(Область застосовності методу)

Вологість, в тому числі гігроскопічна

Висушування до постійної маси

всі грунти

Сумарна вологість

середній пробою

Мерзлі шаруватої і сітчастої кріогенної текстури

Вологість кордону плинності

пенетрація конусом

11илевато-глнністие

Вологість кордону

Розкочування в джгут

те ж

розкочування

пресування

те ж

Визначення вологості методом висушування до постійної маси [40]. Вологість грунту слід визначати як відношення маси води, віддаленої з грунту висушуванням до постійної маси, до маси висушеного ґрунту. Пробу грунту масою 15 ... 50 г завадять в заздалегідь висушений, зважений і пронумерований стаканчик, який поміщають в нагріту сушильну шафу. Грунт висушують до постійної маси при температурі (105 і 2) ° С. Загіпсовані грунти висушують при температурі (80 ± 2) ° С протягом 8 ч. Піщані грунти висушують протягом 3 ч, а решта - протягом 5 ч. Наступні висушування піщаних грунтів виконують протягом 1 год, інших - протягом 2 ч. після кожного висушування грунт в стаканчику охолоджують в ексикаторі з хлористим кальцієм до температури приміщення і знову зважують. Висушування проводять до отримання різниці мас грунту з стаканчиком при двох наступних зважуваннях не більше 0,02 м Якщо при повторному зважуванні грунту, що містить органічні речовини, спостерігається збільшення маси, то за результат зважування приймають найменшу масу. При обробці результатів обчислюють вологість до 30% - з точністю до 0,1%, вологість 30% і вище - з точністю до I%.

Визначення гігроскопічної вологості висушуванням до постійної маси. Гігроскопічної вологістю w ,,% називається вологість грунту в повітряно-сухому стані, т. Е. В стані рівноваги з вологістю і температурою навколишнього повітря.

Для визначення гігроскопічної вологості проби масою 10 ... 20 г відбирають способом квартування з грунту в повітряно-сухому стані, розтертого, просіяного крізь сито з сіткою № 1 і витриманого відкритим не менше 2 ч при даній температурі і вологості повітря. Пробу грунту в стаканчику зважують і сушать.

До складу фізичних характеристик, які визначаються для мерзлих грунтів, входять: сумарна вологість мерзлого грунту (w tot ); вологість мерзлого грунту між включеннями льоду (w "); вологість мерзлого грунту за приводу не замерзлої води (w w ); вологість мерзлого грунту за рахунок крижаних включень, прошарків і лінз (wj; вологість мерзлого грунту за рахунок норовлять льоду (льоду-цементу), w ie .

Сумарної вологістю мерзлих грунтів (w M ) називається відношення маси всіх видів води в мерзлому ґрунті до маси скелета грунту, визначається відповідно до ГОСТ 5180. Вона складається з вологості мерзлого грунту за рахунок крижаних включень, прошарків і лінз (і>,) і вологості мерзлих мінеральних прошарків (w m ), яка, в свою чергу, складається з вологості мерзлого грунту за рахунок порового льоду (w / c ) і вологості за рахунок незамерзаючих води

Зазвичай всі вхідні в вираз параметри вологості повинні визначатися в ході польових і лабораторних робіт дослідним шляхом. Якщо ви не впевнені, пов'язаних з їх визначенням, будівельними нормами і правилами допускається обчислення частини показників. Вологість мерзлого грунту між включеннями льоду визначається також відповідно до [41]. У разі якщо w " не можна визначити дослідним шляхом, то для глинистих ґрунтів вона приймається рівною вологості на межі розкочування (w p ).

Вологість мерзлого грунту за рахунок незамерзаючих води w w визначається дослідним шляхом, для мерзлих незасолених грунтів допускається визначати се за формулою

де k w - коефіцієнт, що приймається за табл. 4.2 в залежності від температури грунту Т, ° С і числа пластичності I p = wl - w p , де w L - вологість грунту, відповідна верхній межі пластичності (вологість на межі текучості).

Вологість мерзлого грунту за рахунок порового льоду (льоду-цементу) w ic зазвичай обчислюється по залежності:

image71

Вологість мерзлого грунту за рахунок крижаних включень w i визначається за формулою

Значення коефіцієнтів k w [104]

Таблиця 4.2

грунти

Число пластичності / ,,

Коефіцієнт А "при температурі грунту Т, ° С

-0.3

-0.5

-1

-2

-3

-6

-8

-10

Піски і супіски

/ "<2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

супіски

2 </ л <7

0.6

0.50

0.40

0.35

0.33

0.30

0.28

0.26

0.25

суглинки

7 </ "<13

0.7

0.65

0.60

0.50

0.48

0.45

0.43

0.41

0.40

суглинки

13 </ "<17

*

0.75

0.65

0.55

0.53

0.50

0.48

0.46

0.45

глини

/ "> 17

*

0.95

0.90

0.65

0.63

0.60

0.58

0.56

0.55

Примітка. У таблиці знак "*" означає, що вся вода в порах не замерзла.

Величина сумарної вологості мерзлих грунтів змінюється в широких межах і може набагато перевищувати їх повну вологоємність в талому стані. Наприклад, вологість дрібнозернистих пилуватих пісків з включенням органічної речовини може досягати 60%, заторфованних суглинків - 150 ... 200%, а торфу - 400 ... 800% і більше.

Графічне вираження вологості здійснюється шляхом побудови профілю вологості по глибині розрізу, де на одній осі координат відкладається середнє значення вологості для кожного шару певної потужності, а на іншій - глибина відбору проби. Використовується також метод побудови хроноізоплет вологості, який дозволяє охарактеризувати особливості зміни вологості в ґрунтовому масиві будь-якої потужності за певний проміжок часу. Метод полягає в тому, що в звичайній сітці прямокутних координат по осі абсцис відкладають дати, а по осі ординат - глибину від поверхні. Для кожного) терміну спостережень на відповідній йому ординате виписують величину вологості грунту. Потім на цих ординатах шляхом інтерполяції визначаються точки, що відповідають величинам вологості з обраним інтервалом значень. Точки з однаковими вологість з'єднують лініями, які і є лініями з однаковою в часі вологістю.

До фізичних властивостей ґрунтів, пов'язаних з утриманням вологи, відносяться також влагоемкость, вологовіддача , водопоглинання і водонасичення.

Влагоемкостью називають здатність грунту вмішати максимальну кількість води, обумовлене структурними особливостями і перш за все тієї чи іншої категорією пористості.

Грунти по вологоємності поділяють на вологоємні (торф, глини, суглинки), слабовлагоемкіе (мергель, лес, супіски, глинисті пісковики, глинисті піски) і невлагоемкой (магматичні, метаморфічні, щільні осадові).

Розрізняють такі види вологоємності: гигроскопическую, максимальну молекулярну, капілярну і повну.

Гігроскопічної влагоемкостью (н- я .) Називаємося здатність частинок грунту притягувати з повітря пароподібну вологу.

Максимальною молекулярною вологоємністю (vr ",") грунту називається здатність частинок грунту утримувати на своїй поверхні максимальну кількість гігроскопічної і плівковою води. Максимальну молекулярну вологоємність слід визначати як вологість грунтової пасти після пресування її до завершення водоотдачи грунту. На шматочок тканини кладуть шаблон, змащений вазеліном, заповнюють шаблон грунтовій пастою, надлишок пасти видаляють. Шаблон піднімають, а отриману корж покривають другим шматочком тканини. На пластину кладуть стопку фільтрованого паперу з 20 фільтрів діаметром 90 мм, корж в тканини, таку ж стопку фільтрувального паперу, пластину. Отриманий таким чином пакет поміщають під прес і витримують під постійним тиском в I МПа протягом: піски і супіски - 10 хв, глини і суглинки - 30 хв. Звільняють грунт від пластин, фільтрувального паперу, тканини, потім згинають корж навпіл. Ламкість її показує, що водовіддача завершена.

Капілярної влагоемкостью (w Mn ) називається максимальна кількість води, що утримується в капілярних порах грунту. Капілярна вологоємність грунту чисельно дорівнює вологості грунту (ваговий або об'ємної) при його капілярному насиченні, т. Е. За наявності всіх форм капілярної води. Капілярна вологоємність визначається толь до у грунтів, здатних містити капілярну воду (тонкотрещіноватих і пористих скельних, великоуламкових і піщаних). У глинистих ґрунтів (глин, суглинків, почасти супесей) капілярна вода може зовсім відсутніми або буде мати підлегле значення в порівнянні з осмотической і іншими видами зв'язаної води. Капілярну воду важко визначити окремо, оскільки вона формується одночасно з осмотической і пов'язаної водою.

Найбільшою капілярної влагоемкостью мають грунти з максимальним вмістом мезо- і мікропор капілярного розміру (0,001 ... 1 мм) - піски, супіски, пісковики, алевроліти, високопористі скельні грунти і т. Д.

Повна вологоємність грунту (н * ,,) чисельно дорівнює його вологості (ваговий або об'ємної) при повному заповненні всіх пор водою. Повна вологоємність визначається для всіх типів грунтів (скельних і дисперсних) і характеризує вміст у грунті всіх категорій води, включаючи вільну. Найбільшою повної влагоемкостью мають грунти з найбільшими значеннями відкритої пористості.

Для ненабухающіх грунтів повна вологоємність є постійною величиною і, виражена в об'ємних частках, збігається з їх пористістю або максимальним значенням об'ємної вологості.

Для тих, що набухають грунтів повна вологоємність є змінною величиною , яка залежить від ступеня набухання грунту, так як при набуханні відбувається збільшення обсягу його норовить простору [50].

Ступінь вологості (коефіцієнт водонасичення) S, характеризує відносну частку заповнення пір водою (рідиною) в грунті. Ступінь вологості використовується для визначення розрахункових опорів грунтів при проектуванні природних основ будівель і споруд. Її величина чисельно дорівнює відношенню обсягу води або рідини (V w ) до обсягу пір грунту ( V ,,):

, або

де Wsai - вологість при повному водонасиченні грунту, коли

де е - коефіцієнт пористості; p w - щільність води; /> - щільність твердих частинок грунту.

Величина S, вимірюється в д. Од., Або в%, і може змінюватися від 0 до випадку абсолютно сухого ґрунту до 1 (або 100%) при повному насиченні пір. В окремих випадках значення S, виявляються більше 1 в результаті того, що при нагріванні ґрунту до 105 ... 107 ° С з нього віддаляється нс тільки вода, що знаходиться в порах, але і частина води, що входить до складу складають грунт мінералів (гіпс, монтмориллонит і ін.), а також деяких органічних домішок. При розрахунках S, потрібно враховувати формулу '(5.4) для водонасичених грунтів.

image78

Мал. 4.1. Класифікація грунтів по водонасиченому

Коефіцієнт водонасищенін є класифікаційним показником для дисперсних незв'язних грунтів: грунти називаються маловлажних при S r < 0,5, вологими при 0,5 <5, <0,8 і насиченими водою при S, > 0.8 (рис. 4.1).

Вологовіддачею (w 0 тд), або водоотдачей, називають здатність водонасичених грунтів віддавати воду шляхом сс вільного стікання (т. Е. Під дією сили тяжіння). Влагоотдача характеризує наявність в грунті вільної води.

Влагоотдача скельних, великоуламкових і піщаних грунтів приблизно дорівнює різниці їх повної вологоємності (w Jfl / ) і вологості капілярної вологоємності (w Kan ):

У деяких публікаціях невірно вказується, що водовіддача дорівнює різниці між повною і максимальної молекулярної влагосмкостью. В цьому випадку Водовіддача враховує нс тільки вільну, а й основну частину води перехідного стану - капілярну і осмотичну, які, як відомо, не стікають під дією сили тяжіння.

Влагоотдача глинистих ґрунтів визначається як різниця між їх повної влагосмкостью і вологістю вільного набухання (w):

Для важких глин ця величина зазвичай дорівнює нулю і лише в легких суглинках і супісках може досягати істотних значень. Найбільшою вологовіддачею (як і найбільшим вмістом вільної води) мають сильно тріщинуваті і великопористі скельні грунти, а також великоуламкові грунти без заповнювача, а найменшою - глини (50].

При дослідженні влагоемкости неразмокаемую скельних і напівскельних ґрунтів визначають їх водопоглинання (w ЮУ ). водонасичення (w пс ) і коефіцієнт водонасищенін (К тс ).

Водопоглинанням (wпог) називається здатність грунту поглинати (вбирати) воду при зануренні його в воду в звичайних умовах, т. Е. При атмосферному тиску і кімнатній температурі. Водопоглинання виражають в частках одиниці, або у відсотках від ваги абсолютної породи. У зразку формується вільна, капілярна і зв'язана вода, в деяких випадках можливе утворення осмотической води (при наявності глинистих цементу і ін.).

Кількісно водопоглинання характеризується відношенням ваги поглиненої води до ваги абсолютно сухої породи, т. Е. Ваговій вологістю. Водопоглинання визначається тільки для неразмокаемую грунтів. При цьому грунт спочатку насичується капиллярно, а потім повністю занурюється у воду (для запобігання утворенню защемленного повітря).

Величина водопоглинання близька або навіть дорівнює капілярної вологоємності ґрунтів ( 'wпог> w'ка "), але може дещо перевищувати її через заповнення вільної водою великих некапілярних пір і тріщин.

Зазвичай водопоглинання нижче повної вологоємності ґрунту (w nor < w sal ), так як частина пір при такому способі водопоглинання залишається зайнятою затисненим і адсорбованим повітрям.

Водонасиченню (w ІАС ) називається здатність грунту в особливих умовах поглинати (вбирати) воду при зануренні - під вакуумом, при підвищеному тиску або кип'ятінні, т. Е. Здатність грунту примусово вбирати максимально можливу кількість води. Кількісно ця величина також виражається ваговій вологістю зразка після його водонасичення. Величина водонасичення більше водопоглинання, так як при насиченні порід в особливих умовах повітря і гази в мікротріщинах і порах заважають проникненню в них води. У той же час ця величина зазвичай дорівнює або менше (за рахунок решти незаповнених водою пір) повної вологоємності ґрунту (w M t > vr Hac ). Водонасиченню зазвичай визначають відкриту пористість скельних грунтів.

Коефіцієнтом водонасичення тс ) грунту називають ставлення водопоглинання до водонасищеіію (не плутати зі ступенем вологості грунту S,):

Величина Ктс є безрозмірною і змінюється від часток до одиниці. Нелі До нас > 0,8, то такий грунт відноситься до категорії неморозостійких [50J.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >