Характеристики физических свойств грунтов и классификации по ним

Пусть в некотором объеме грунта V массой m условно разделены составные части: твердые частицы объемом V_s и массой m_s, вода (соответственно V_w и m_w) и газ объемом V_г. Масса газа по сравнению с m_s и m_w мала. В механике грунтов используются следующие основные физические характеристики, определяемые опытным путем:

– плотность грунта , т/м³; (1.3)

– плотность частиц грунта , т/м³; (1.4)

– влажность . (1.5)

По основным можно рассчитать целый ряд производных показателей, более наглядно характеризующих соотношение составных частей грунта. Для них следует привести не только определение по смыслу, но и формулу для расчета производного показателя по основным.

Например, вводится показатель «плотность сухого грунта»:

.

Для получения формулы анализируем определение плотности грунта; с учетом (1.3) и (1.4) имеем:

.

То есть плотность сухого грунта можно рассчитать, зная и ; формула имеет вид:

. (1.6)

Аналогично можно ввести и рассчитать следующие характеристики:

– пористость , (1.7)

где – объем пор в рассматриваемом объеме грунта.

– коэффициент пористости:

(1.8)

– степень влажности: (1.9)

где – плотность воды.

В расчетах часто используются не плотности, а удельные веса, рассчитываемые умножением плотности на ускорение свободного падения. Соответственно имеем удельный вес грунта , частиц и сухого грунта :

; ; . (1.10)

Например, если , то .

Если взять объем грунта =1 м³, то для него по смыслу пористости n – объем пор, а 1 – n = m – объем твердых частиц. Разрешая (1.8) относительно n, получаем:

. (1.11)

Тогда объем твердых частиц

. (1.12)

Грунт, залегающий ниже уровня подземных вод, испытывает взвешивающее действие воды. При этом вес твердых частиц уменьшается на вес вытесненной ими воды, т.е. на величину . Принимая m по (1.12), получаем:

(1.13)

Для большинства грунтов значение близко к 10 кн/м³.

Для глинистых грунтов наряду с влажностью важным является понятие консистенции, характеризующее степень подвижности грунта. Консистенция может быть твердой, пластичной и текучей. Влажности, соответствующие границам между этими состояниями, называются пределами пластичности или раскатывания W_P (граница между твердым и пластичным состояниями) и текучести W_L (между пластичным и текучим).

Разность этих пределов называется числом пластичности:

(1.14)

Число пластичности тесно связано с содержанием в грунте глинистой фракции и поэтому используется в классификации: если – супесь, при 0,07 < суглинок; при > 0,17– глина.

Состояние по консистенции удобно характеризовать показателем текучести :

(1.15)

Из (1.15) видно, что при < < 0 и консистенция твердая; при > > 1 и консистенция текучая. Для суглинков и глин изменение их свойств в интервале очень существенно и для них в указанном интервале пластичной консистенции состояния детализируются: < 0,25 – полутвердое; <0,5 – тугопластичное; <0,75 – мягкопластичное; – текучепластичное. Для супесей, у которых число пластичности мало, во всем интервале остается одно название: супесь пластичная.

Для песчаных грунтов очень важно состояние по плотности сложения: плотное, средней плотности, рыхлое. В последнем состоянии грунт легко разупрочняется и дает большие деформации, особенно при динамических воздействиях.

Имеющиеся опытные данные по отдельным разновидностям песчаных грунтов позволяют установить состояние по плотности с помощью табл. 1.1.

Таблица 1.1

Грунты	Плотность сложения при коэффициенте пористости
плотные	рыхлые
Пески гравелистые, крупные и средней крупности	<0,55	>0,70
Пески мелкие	<0,60	>0,75
Пески пылеватые	<0,60	>0,80

Если оказывается в интервале приведенных в табл. 1.1 значений, песок средней плотности.

Более объективно плотность сложения по значению можно установить, если данный грунт подвергнуть максимально рыхлой укладке и максимально плотной, определив соответственно и . Тогда, зная для естественного сложения, можно определить относительную плотность или индекс плотности

(1.16)

При 0< – песок рыхлый; при 0,67< – плотный и при 0,33< – средней плотности.

Наиболее надежно плотность устанавливается статическим или динамическим зондированием.

Для песчаных грунтов, особенно мелких и пылеватых, на строительные свойства влияет степень влажности . В зависимости от пески разделяются на маловлажные ( ), влажные 0,5< и водонасыщенные при >0,8.

По характеристикам физического состава и состояния можно определить условное расчетное сопротивление грунта , интегрально характеризующее строительные свойства грунта как основания.

Для песчаных грунтов достаточно знать полное наименование грунта (табл. 1.2), а для пылевато-глинистых – название и значения и (табл. 1.2, 1.3).

Таблица 1.2