Физические свойства грунтов

Физические свойства грунтов характеризуют физическое состояние грунтов; к ним относят плотность, скважность и пористость. Независимо от характера связей между частицами все горные породы не представляют собой абсолютно плотных тел, и имеют свободные промежутки и пустоты, которые могут быть заполнены газами или жидкостями и служить каналами для их передвижения.

Образование в горных породах пустот и промежутков происходит одновременно с образованием самих пород. Так, уже в процессе отвердевания или застывания лавы или магмы в магматических породах образуются трещины отдельностей. В процессе седиментации осадочных пород в них появляются пустоты от пузырьков газа.

В нескальных породах наличие пор обусловлено неплотным примыканием друг к другу минеральных частиц неправильной формы. Выветривание и другие геологические процессы приводят к значительным изменениям существовавших пустот и к образованию новых. Размеры и расположение пустот в горных породах существенно влияют на содержание и на передвижение в них воздуха и воды.

По размерам пустоты делят на три группы:

· крупные, или некапиллярные, с диаметром пор более 1,0 мм или шириной трещин более 0,25 мм, где вода может передвигаться свободно под действием силы тяжести, не испытывая заметного противодействия со стороны сил поверхностного натяжения;

· капиллярные с диаметром пор от 1,0 до 0,0002 мм или шириной трещин от 0,25 до 0,0001 мм, где движение воды происходит под действием сил капиллярного натяжения и гидростатического напора;

· субкапиллярные, с диаметром пор менее 0,0002 мм или шириной трещин менее 0,0001 мм, где к действию сил капиллярного натяжения прибавляется действие сил электромолекулярного притяжения воды к частицам породы.

Представим себе объем породы V, в котором некоторая часть будет занята пустотами V_п, а остальная часть - минеральными частицами (минеральным скелетом) породы V_ск.

Зависимость между величинами выразится равенством:

Отношение объема пустот V_п к общему объему породы V, выраженное в процентах, дает величину:

В тех случаях, когда величина n характеризует наличие крупных некапиллярных пустот, ее называют скважностью. Обычно понятие скважности относится к скальным или крупнообломочным породам.

Если величина n характеризует наличие капиллярных и субкапиллярных пустот, ее называют пористостью. Понятие пористости обычно относится к нескальным породам.

Для нескальных пород, кроме пористости, вычисляют еще величину приведенной пористости или, как ее чаще называют, - величину коэффициента пористости , которая представляет собой отношение объема пустот V_п к объему минерального скелета V_ск:

Величины пористости и коэффициента пористости связаны между собой простой зависимостью:

Плотность грунтов характеризуется тремя показателями: плотностью минеральной части у_м, плотностью породы у и плотностью скелета :

где m_ск - масса твердой части грунта; m_в - масса воды; V_скобъем твердой части грунта скелета; V_ск- объем пор в грунте; - влажность грунта [8].

По плотности минеральной части и плотности скелета можно вычислить показатели скважности - пористость п и коэффициент пористости грунта :

В грунтах с жесткими структурными связями - скальных и полускальных - скважность представлена главным образом трещиноватостью. Трещиноватость - один из главных факторов влияющих на прочность этих пород. По происхождению трещины в горных породах делятся на литогенетические, тектонические и экзогенные.

Первые образуются в процессе формирования горных пород (трещины в магматических породах и трещины напластования в осадочных). Вторые развиваются уже в сформированных породах под влиянием тектонических сжимающих и растягивающих сил, превышающих прочность пород. Экзогенные трещины могут быть естественными и искусственными.

Естественные трещины образуются в породах при выветривании, просадке, оползании и разгрузке в присклоновой части. Искусственные трещины – это трещины разгрузки, которые возникают вблизи карьеров и котлованов и при взрывах.

Водные свойства грунтов

Водные свойства грунтов проявляются при их взаимодействии с водой. В зависимости от типа грунтов могут изменяться их состояние, прочность и устойчивость, проявляться свойства поглощать, удерживать, пропускать воду или частично растворяться в ней. Чтобы эти свойства пород могли получить не только качественную, но и количественную оценку, установлено понятие влажности породы.

Влажностью породы W называется выраженное в процентах отношение веса воды, содержащейся в порах породы, к весу минерального скелета породы.

Влажность грунта характеризуется тремя показателями: весовой влажностью , объемной влажностью и коэффициентом водонасыщения :

Весовой влажностью называют отношение массы воды к массе воздушно-сухого грунта. Объемная влажность представляет собой отношение объема воды к объему грунта. Эти виды влажности выражаются в процентах.

Степень увлажнения грунта характеризуется коэффициентом водонасыщения, т.е. отношением объема воды к суммарному объему пор. Естественная влажность грунтов характеризует состояние грунта. Особенно большое значение она имеет для глинистых грунтов, свойства которых резко изменяются в зависимости от влажности.

Существующие методы определения влажности можно разделить на две группы. К первой относятся методы, основанные на удалении влаги из грунта переводом ее в парообразное состояние (термические методы) или выжиманием (механический метод). Вторая группа (электрические, радиоактивные, водные, тензометрические, объемные, конусные и оптические методы) основана на косвенном определении количества воды в грунте без ее удаления.

Наибольшее распространение получил термостатный (термический) метод, при котором образцы грунтов, помещенные в бюксы, высушиваются до постоянной массы при 105°С.

В последние годы все шире применяются радиоактивные методы (гамма-метод и метод медленных нейтронов), позволяющие быстро определять влажность грунтов в полевых условиях без отбора проб.

Влагоемкость. Влагоемкостью называют способность грунта вмещать и удерживать определенное количество воды. Различают породы влагоемкие (глины, суглинки), обладающие средней влагоемкостью (супеси, пески, тонко- и мелкозернистые, пылеватые), невлагоемкие (пески средне-, крупно- и грубозернистые, гравий, галечники, трещиноватые и закарстованные породы).

Для влагоемких пород выделяют полную, капиллярную, молекулярную, гигроскопическую влагоемкости. Полная влагоемкость соответствует объемной влажности грунта при полном насыщении водой, а капиллярная - при насыщении капиллярных и более мелких пор. Максимальная молекулярная влагоемкость - это общее количество всей физически связанной воды, а гигроскопическая — количество прочно связанной воды.

Количественно все виды влагоемкости выражаются также объемной влажностью. Влагоемкость определяет так называемую водоудерживающую способность, которая численно равна количеству воды, которое остается в первоначально водонасыщенной породе после свободного вытекания воды из образца. В почвоведении эта величина называется полевой, или наименьшей, влагоемкостью.

Водоотдача и недостаток насыщения. Способность породы отдавать свободную воду называется водоотдачей. Численно она равна разности полной и наименьшей влагоемкости (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Влагоемкость и водоотдача грунтов

Порода	Влагоемкость, %	Водоотдача, %
полная	Максимальная молекулярная
Песок Супесь Суглинок Глина

Коэффициентом водоотдачи называется отношение объема воды, свободно вытекшей из предварительно насыщенной породы, к объему этой породы.

Недостаток насыщения численно равен разности между полной влагоемкостью и естественной влажностью. На определении этого показателя для почв и грунтов зоны аэрации на оросительных системах основано планирование сроков полива и поливных норм.

Пластичность. Пластичностью называется свойство грунтов деформироваться (изменять форму) под действием внешнего давления и сохранять приобретенную форму после его прекращения; при этом сплошность грунта не нарушается.

Пластичностью обладают глинистые грунты. Состояние, или консистенция, таких грунтов определяется их влажностью. При небольшом (до некоторого предела) увлажнении грунт сохраняет свойства твердого тела. Затем при определенной (различной для каждого грунта) влажности происходит переход его в пластичное состояние, а при дальнейшем увлажнении - в текучее.

Эти состояния грунта (твердое, пластичное и текучее) являются основными, а влажности, при которых происходит переход от одного к другому, называются характерными влажностями, или пределами пластичности.

Влажность W_Pt. при которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное (или наоборот), называют нижним пределом пластичности, а влажность W_L при переходе из пластичного состояния в текучее (или наоборот) - верхним пределом пластичности, или пределом текучести.

Разность между верхним и нижним пределами называется числом пластичности 1_Р. Значение чисел пластичности зависит от содержания в грунте глинистых и коллоидных частиц. Для каждого типа грунта характерны свои числа пластичности (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Классификация грунтов по числу пластичности

Класс	Характеристика грунтов по влажности	Число пластичности Ip, %	Название грунтов
I	Высокопластичные	> 17	Глины
II	Пластичные	17-7	Суглинки
III	Слабопластичные	7-1	Супеси
IV	Непластичные	< 1	Пески

Определение типа грунтов по числу пластичности и их естественной консистенции имеет большое практическое значение, так как несущая способность и допускаемая нагрузка при использовании их в строительстве в значительной степени зависят от их консистенции [3].

Набухание. Свойство грунта увеличивается в объеме при увлажнении называется набуханием. Оно зависит от минерального и гранулометрического состава, структуры и текстуры грунта, состава обменных катионов, ионного состава взаимодействующей с грунтом воды.

Набухание проявляется в том случае, когда давление, развивающееся в грунте при набухании, превышает внешнюю нагрузку (от сооружения или вышележащих грунтов) на грунт.

Набухание происходит в мягких связных грунтах и объясняется образованием вокруг глинистых и коллоидных частиц слоев связанной воды. Частицы при этом раздвигаются, связность грунта понижается и происходит общее увеличение его объема.

Как правило, чем больше в грунте глинистых частиц (больше число пластичности), тем выше его способность набухать. Вместе с тем необходимо учитывать и минеральный состав грунта. Например, монтмориллонитовые глины обладают большей степенью набухания, чем глины, состоящие из минералов группы каолинита.

Глины, в которых поглощающий комплекс обменных катионов представлен кальцием и магнием, набухают меньше, чем глины с натрием в поглощающем комплексе (табл. 1.4).

Состав воды также оказывает влияние на набухание грунта. Воды с преобладанием кальция и магния в натриевом составе обменных катионов вызывают меньшее набухание.

Таблица 1.4. Консистенции пластичных грунтов

Твердая Полутвердая   Вязкопластичная Липкопластичная Вязкотекучая   Жидкотекучая

Твердое состояние Полутвердое состояние Грунт пластичный, но не липкий Грунт пластичный и липкий Грунт вязкий, растекается толстым слоем Грунт растекается тонким слоем

- Верхний предел усадки Нижний предел пластичности WP Пределы липкости   Верхний предел пластичности WL -

Количественно величина набухания определяется показателями объемного V или линейного набухания, величиной давления, которое развивается в грунте при набухании, и влажностью, при которой прекращается процесс набухания:

,

где V_Н и h_H - объем и высота образца после набухания; V₀ и - объем и длина образца в сухом состоянии.

В зависимости от величины V выделяют следующие виды грунта: сильно набухающие более 0,12; средне набухающие 0,12-0,08; слабо набухающие 0,08-0,04.

Усадка. Процесс уменьшения объема грунта при высыхании называется усадкой. Это процесс, обратный набуханию, наблюдается в набухающих грунтах (различные глины). При этом происходит образование трещин, по которым грунт иногда разрушается на отдельные плитки, чешуйки и даже превращается в пыль. Количественно она характеризуется величинами объемной V_У линейной h_У усадки и влажностью грунта при пределе усадки W_У.

Липкость. Способность грунтов при определенном содержании воды прилипать к различным предметам называется липкостью. Это свойство имеет большое практическое значение. Оно появляется у пластичных грунтов при влажности несколько большей, чем нижний предел пластичности. В этом случае рыхлосвязанная вода в грунтах вступает во взаимодействие с другими предметами.

При влажности, равной нижнему пределу пластичности, связанная вода с большей силой удерживается вокруг частиц грунта и не взаимодействует с соприкасающимися с грунтом предметами.

По мере повышения влажности грунта толщина пленок воды увеличивается, сила прилипания к предметам уменьшается и исчезает при переходе грунта в текучее состояние. Количественно липкость оценивается величиной усилия, которое надо приложить, чтобы оторвать предмет от грунта. Этот показатель используется при определении условий разработки мягких связных грунтов землеройными и дорожными машинами.

Водопрочность. способность грунтов сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой называется водопрочностью. Она характеризуется размокаемостью и размываемостью.

Под размокаемостью грунтов понимается процесс взаимодействия грунта с водой при погружении его в воду. При этом одни грунты разрушаются (разваливаются) полностью, другие - частично, а третьи сохраняют свою текстуру. Размокаемость грунтов зависит от их состава, характера структурных связей и влажности грунта, при которой он погружается в воду.

Количественной оценки размокания пока не существует. Обычно его оценивают по времени размокания образца, характеру его распада и влажности размокшего грунта (в лабораторных приборах).

Размываемость характеризует способность грунтов отдавать частицы или агрегаты частиц движущейся воде. Она определяется в гидравлических лотках.

Растворимость. Некоторые грунты частично растворяются подземными водами. В результате этого пустоты в грунтах увеличиваются, водопроницаемость повышается, а физико-механические свойства ухудшаются.

Размягчаемость. Свойство грунтов снижать свою прочность при увлажнении без видимых признаков разрушения называется размягчаемостью и численно характеризуется коэффициентом размягчаемости К_Р:

,

где р₁ и p₂ - временное сопротивление грунта сжатию до и после насыщения водой.

К размягчаемым относятся грунты, у которых коэффициент размягчения К_Р < 0,75.

Стойкость. Под стойкостью понимают степень устойчивости грунтов против разрушающего воздействия процессов выветривания и особенно воды.

Под действием процессов выветривания и воды появляются в грунтах трещины и пустоты, изменяется минеральный состав, в результате чего снижается их прочность. При этом меняется физическое состояние грунтов, и нарушаются существующие структурные связи.

Например, граниты и гнейсы - плотные прочные грунты с кристаллизационными связями в результате физического выветривания превращаются в почти рыхлые грунты (так называемые рухляки), состоящие из угловатых обломков различного размера. Минеральный состав обломков зависит от преобладающего вида выветривания (физического или химического).

При химическом выветривании гранитов в конечном итоге образуются глинистые грунты с водно-коллоидными связями. Для количественной характеристики стойкости грунтов против выветривания используется коэффициент выветриваемости [7]:

,

где и - временные сопротивления грунта сжатию в не выветренном (начальном) состоянии и после годичного цикла воздействия агентов выветривания.