Основные физические характеристики грунтов

2.1.Удельный вес грунта

Удельным весом грунта g_у, г/см³ называется отношение веса твердых частиц грунта только к их объёму.

Примечание: здесь и в последующем изложении 1 г/см³ = 9,81 Н/см³.

Необходимые приборы:

· мерная колба (пикнометр) емко­стью не менее 100 см³;

· сито с отверстиями 2 мм;

· ступка с фар­форовым пестиком;

· технические весы с разновесом;

· сушильный шкаф с термометром;

· электроплита.

Проведение опыта. Образец воздушно-сухого грунта раз­мельчают в фарфоровой ступке и из него отбирают среднюю пробу весом 100 - 200 г, которую просеивают через сито с от­верстиями 2 мм.

Среднюю пробу отбирают методом «квадратов». Для этого размельченный грунт насыпают тонким слоем на лист бумаги и шпателем разделяют на квадратики со сторонами около 4 см. Из каждого квадратика берут часть грунта.

Из средней пробы берут навеску так, чтобы 15 г грунта при­ходились на 100 см³ мерной колбы.

Колбу взвешивают, после чего в нее помещают грунт и вновь взвешивают. Вычитая из второго веса первый, определяют вес введенного в колбу грунта. В этот вес вносят поправку на гиг­роскопическую воду. Вес грунта в колбе с поправкой на гигро­скопическую воду вычисляют по формуле

где: вес введенного в колбу грунта в г;

W_г - гигроскопическая влажность в %.

Колбу наполняют дистиллированной водой примерно на 1/3 ее емкости и содержимое колбы кипятят от 30 минут(пески и супеси) до 1 часа (суглинки и глины) для разрушения структурных агрегатов в грунте.

Колбу доливают прокипяченной дистиллированной водой до мерной черты и охлаждают содержимое до комнатной темпера­туры.

Положение мениска в колбе поправляют добавлением нес­кольких капель воды. Снаружи колбу вытирают, а шейку колбы внутри осушают фильтровальной бумагой. После этого колбу взвешивают.

Освободив колбу от содержимого, промывают ее и напол­няют прокипяченной дистиллированной холодной водой до мерной черты, а затем взвешивают. Перед взвешиванием кол­бу вновь вытирают, а шейку внутри осушают. Взвешива­ние производят с точностью до 0,01 г.

Удельный вес вычисляют по формуле

где g₀ - вес введенного в колбу грунта с поправкой на гигрос­копическую воду в г;

g₂ - вес колбы с введенным грунтом и водой, налитой до черты в г;

g₃ - вес колбы с водой, налитой до черты в г.

Результат вычисления дают с точностью до 0,01 г/см³. Для каждой пробы грунта делается два параллельных оп­ределения удельного веса. Расхождения в этих определениях не должны превышать 0,02 г/см³. Принимается среднее арифмети­ческое полученных значений.

Результаты опытов заносят в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

№ пробы	№ опыта	Вес введенного в колбу грунта g0, г	Вес колбы с грунтом и водой g2, г	Вес колбы с водой g3, г	Удельный вес грунта г/см3	Среднее значение г/см3
		45,35	354,05	325,5	2,69	2,7
	47,92	355,82	325,5	2,71

Методика и применяемые приборы при определении удель­ного веса в полевых и стационарных условиях одинаковы. В таблице 2.2 для ориентировки приведены значения удельного веса некоторых грунтов.

Таблица 2.2.

Наименование грунта	Удельный вес, г/см3	Вероятная абсолютная ошибка, г/см3	Вероятная ошибка, %
Пески	2,66	0,10	0,36
Супеси	2,70	0,17	0,63
Суглинки	2,71	0,20	0,74
Суглинки лессовидные	2,68
Глины	2,74	0,27	0,99

2.2. Объемный вес грунта

Объемным весом грунта у₀, г/см³ называется вес единицы объема грунта ненарушенной структуры и естественной влаж­ности.

Необходимые приборы:

· грунтоотборочные гильзы с направ­ляющим цилиндром и рычагами конструкции И. М. Литвинова;

· стальной нож с прямым лезвием;

· алюминиевые бюксы;

· техни­ческие весы с разновесом.

Проведение опыта.Определение объемного веса грунтов, которые при естественной влажности сохраняют сцепление и в то же время поддаются обработке ножом, производят по методу режущих гильз.

Отбор образцов ненарушенной структуры и естественной влажности в лаборатории осуществляется из монолита грунта, а в поле - непосредственно в шурфе.

При отборе образцов в лаборатории или в шурфе для вдав­ливания грунтоотборочных гильз в грунт используют направ­ляющие цилиндры, а когда нужно, то и рычаги.

Иногда образцы отбирают так: на монолит ставят грунтоотборочную гильзу и, придерживая ее левой рукой, подрезают ножом вокруг гиль­зы грунт, одновременно перемещая гильзу вниз. Остаток грунта, выступающий из гильзы, срезают ножом,

Отобранный гильзой грунт при помощи выталкивателя пе­ремещают в бюксу, вес которой известен. Бюксу с грунтом взве­шивают с точностью до 0,01 г.

Объемный вес вычисляют по формуле

где: g₁ - вес бюксы в г;

g₂ - вес бюксы с грунтом в г;

v - объем грунтоотборочной гильзы в см³ .

Объемный вес вычисляют с точностью до 0,01 г/см³.

Делают не менее двух параллельных определений объемного веса грун­та и вычисляют среднее арифметическое. Разница в параллель­ных определениях должна составлять не более 0,03 г/см³ .

Ре­зультаты опытов заносятся в таблицу 2.3.

Таблица 2.3. Форма записи данных для определения объемного веса

№ монолита	№ бюксы	Вес бюксы g1, г	Вес бюксы с грунтом g2, г	Вес грунта g, г	Объём грунта v, см3	Объёмный вес грунта г/см3	Среднее значение г/см3
		14,25	105,25	91,00		1,82	1,83
	14,05	106,16	92,11		1,84

2.3. Весовая влажность грунта

Влажностью грунта называется выраженное в процен­тах отношение веса воды, удаляемой высушиванием при 100 - 105°С, к весу минеральных частиц, содержащихся в грунте.

Необходимые приборы:

· алюминиевые бюксы;

· технические весы с разновесом;

· сушильный шкаф с термометром;

· эксикатор с хлористым кальцием (для поглощения влаги).

Проведение опыта.В бюксу, вес которой известен, помеща­ют не менее 10 г грунта естественной влажности. Рекомендуется в бюксу помещать столько грунта, чтобы он занимал 60 - 90% ее объема.

Бюксу с грунтом взвешивают на технических весах с точ­ностью до 0,01 г и помещают в сушильный шкаф, где грунт вы­сушивают в течение 3 - 5 ч при температуре 100 - 105°С.

Бюксу с сухим грунтом из сушильного шкафа переносят в эксикатор для охлаждения. В полевых условиях охлаждение про­водят на воздухе при закрытых крышках бюкс.

После охлаждения бюксу взвешивают и вновь помещают в сушильный шкаф. Через 1 - 2 ч производят контрольное взве­шивание. Если разница между двумя взвешиваниями не пре­вышает 0,02 г, высушивание заканчивают.

Влажность грунта вычисляют по формуле

где g₁ - вес бюксы в г;

g₂ - вес бюксы с влажным грунтом в г;

g₃ - вec бюксы с высушенным грунтом в г.

Результат, вычисления выражают с точностью до 0,1%. Делают два параллельных определения влажности и вычис­ляют среднее арифметическое.

Результаты опыта заносят в таблицу 2.4.

Таблица 2.4

№ монолита	№ бюксы	Вес бюксы g1, г	Вес бюксы с влажным грунтом g2, г	Вес бюксы с высушенным грунтом g3, г	Влажность грунта W, %	Среднее значение W, %
		14,25	1053,25	92,35	16,5	16,7
	14,05	106,16	92,91	16,8

Примечание: в бюксе был помещен монолит грунта объемом 50 см³.

2.4. Объемный вес грунтового скелета, пористость, коэффициент пористости и степень влажности

Объемный вес грунтового скелета у_с г/см³ представляет собой вес минеральных частиц в единице объема грунта нена­рушенной или нарушенной структуры. Он определяется по фор­муле

где g₀ - объемный вec грунта, г/см³;

W - весовая влажность, %.

Кроме того, объемный вес грунтового скелета может быть определен по формуле

;

где g₁ - вес бюксы в г;

g₃ - вес бюксы свысушенным грунтом в г;

v - объем грунта в см³.

Например, по данным опытов, приведенным в табл. 2.3 и 2.4, получаем следующее значение объемного веса грунтового скеле­та (соответственно по первой и второй формулам):

Пористостью грунта п называется отношение объема пор к объему всего грунта, выраженное в процентах. Пористость оп­ределяется по формуле

По данным, приведенным в табл. 2.1, 2.3 и 2.4, получаем такую величину пористости

Коэффициентом пористости e называется отношение объема пор к объему минеральных частиц в грунте, выраженное в до­лях единицы.

Коэффициент пористости определяется по одной из следующих формул:

По данным табл. 2.1, 2.3 и 2.4 получаем такие значения коэффи­циента пористости (соответственно по первой, второй и третьей формулам):

Коэффициент пористости характеризует плотность грунта и в некоторой степени его сжимаемость.

Степенью влажности G называется заполнение пор грунта водой, выраженное в долях единицы.

Степень влажности определяется по формуле

где g_в - удельный вес воды, равный 1,0 г/ см³.

По данным табл. 2.1 и 2.4 получаем такое значение степени влажности:

СНиП II-Б. 1 - 62 песчаные грунты в зависимости от значе­ния степени влажности подразделяет на три группы: маловлаж­ные – G £ 0,5; влажные - 0,5 < G £ 0,8; насыщенные водой - G > 0,8.

3. Гранулометрический состав песчаных и пластичность глинистых грунтов

3.1.Гранулометрическим составом грунта называется содер­жание в нем минеральных частиц различной крупности (фрак­ций), выраженное в процентах.

То есть гранулометрический состав грунтачисленно характеризуется отношением массы групп частиц различных размеров (фракций) к общей массе пробы грунта, выраженным в процентах. Во фракции объеди­няют частицы, которые под влиянием внешнего воздействия ведут себя одинаково. Гранулометрический состав - один из признаков грун­тов, на основании которого проводится их классификация. Он позво­ляет ориентировочно оценить сопротивление сдвигу, уплотняемость и водопроницаемость грунтов, в значительной степени определяет при­годность грунта в качестве заполнителя для бетона, для укладки или его намыва в тело сооружения, а также для установления возможности суффозии, расчета фильтров и пр.

Гранулометрический состав зависит от прочности материала, послужившего источником формирования данного грунта, и условий этого формирования (интенсивность и ха­рактер разрушения исходного грунта, условия переноса и отложения частиц и их последующих изменений).

Необходимые приборы:

· набор сит с отверстиями 0,1; 0,25; 0,5 и 2 мм;

· весы технические с разновесом;

· фарфоро­вые или алюминиевые ча­шечки диаметром 8 - 10 см;

· резиновый пестик;

· ступка.

Проведение опыта. Пробу воздушно-сухого грунта помещают на бу­магу и резиновым пести­ком растирают комки и структурные агрегаты. За­тем 100 г грунта, взвешен­ного с точностью до 0,01 г, отбирают методом квад­ратов и помещают на верхнее сито набора с от­верстиями 2 мм. Грунт просеивают путем горизонтального встряхивания в течение 3 - 4 мин. Реко­мендуется производить дополнительно раздельное досеивание по фракциям.

Содержимое каждого сита взвешивают и полученный ре­зультат выражают в процентах к общей навеске. Веса отдель­ных фракций складывают и сравнивают с навеской. Расхожде­ние в 1 % допустимо. Невязку разносят пропорционально весу, фракций. Результаты опыта заносят в таблицу 3.1.

Таблица 3.1.

Форма записи данных гранулометрического анализа на ситах

Наименование показателей	Диаметр отверстий сита в мм
	0,5	0,25	0,1	Поддон
Размер фракций в мм
>2	2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	<0,1
Вестары в г	12,85	12,72	12,20	12,85	12,00
Вес тары с фракциями в г	23,35	35,32	45,00	43,75	15,20
Вес фракций в г	10,50	22,60	32,80	30,90	3,20
Содержание фракций в %	10,50	22,60	32,80	30,90	3,20

Наименование песчаного грунта согласно СНиП II-Б.1- 62 устанавливают путем последовательного суммирования веса фракций сначала крупнее 2 мм, затем крупнее 0,5 мм и т. д. по первому удовлетворяющему показателю. Ниже приведена классификационная таблица 3.2.

Таблица 3.2

Виды песчаных грунтов

Наименование	Распределение частиц по крупности в % от веса сухого грунта
Гравелистый	Вес частиц, крупнее 2 мм, составляет более 25%
Крупный	Вес частиц, крупнее 0,5 мм, составляет бо­лее 50%
Средней крупности	Вес частиц, крупнее 0,25 мм, составляет более 50%
Мелкий	Вес частиц, крупнее 0,1 мм, составляет более 75%
Пылеватый	Вес частиц, крупнее 0,1 мм, составляет менее 75%

Для определения коэффициента неоднородности песчаного грунта нужно построить суммарную кривую гранулометрического состава. Кривая стро­ится в полулогарифмиче­ском масштабе. Это позво­ляет различать на оси абсцисс диаметры мелких частиц. При построении кривой на оси абсцисс от­кладываются логарифмы диаметров частиц, на оси ординат - содержание ча­стиц в %, диаметр ко­торых меньше указанного на оси абсцисс.

Для дан­ных табл. 3.2 кривая имеет вид, показанный на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Суммарная кривая гранулометрического состава в полулогарифмическом масштабе

Весьма существенное значение гранулометрический состав имеет для установления степени неоднородности изучаемой толщи. Для этого служит коэффициент неоднородности , который представляет собой отношение контролирующего диаметра d₆₀ к действующему, или эф­фективному, диаметру d₁₀. Следовательно, коэффициент неодно­родности определяется по формуле

где d₆₀ - диаметр частиц в мм, меньше которого в данном грун­те содержится (по весу) 60% частиц;

d₁₀ - диаметр частиц в мм, меньше которого в данном грунте содержится (по весу) 10% частиц.

При > 3 к наименованию песчаных грунтов, кроме мел­ких и пылеватых, добавляют - слово «неоднородный».

В песчаном грунте, гранулометрический состав которого представлен в табл. 3.2, содержится частиц, крупнее 0,25 мм, 10,5 + 22,6 + 32,8 = 65,9%, что больше 50%. Таким образом, сог­ласно табл. 3.2, перед нами - песчаный грунт средней круп­ности.

Для этого же грунта по кривой неоднократности (см. рис. 3.1) определяем

т. е. в данном случае грунт - песок средней крупности, неоднородный.

3.2.Число пластичности глинистого грунта

Пластичностью называется способность грунта деформи­роваться без нарушения сплошности под действием внешних нагрузок и сохранять свою форму после их снятия.

Пластичность характеризуется числом пластичности W_П , определение которого сводится к определению границ текучести и раскатывания.

Необходимые приборы:

· сито с отверстиями 0,5 мм;

· конус весом 76 г со стакан­чиком и подставкой;

· алюми­ниевые бюксы;

· эксикатор;

· лист плотной бума­ги;

· технические весы с раз­новесом;

· резиновый пестик.

Проведение опыта.

Опре­деление границы текучести. Граница текучести W_T вы­ражается влажностью грун­та в момент перехода его из пластичного состояния в те­кучее.

Пробу воздушно-сухого грунта размельчают резиновым пестиком, пропускают через си­то с отверстиями 1,0 мм и разводят дистиллированной водой до получения густой пасты.

Если проба представлена влажным грунтом, то его разми­нают, иногда с добавлением воды, и протирают сквозь сито с от­верстиями 1,0 мм. Полученную пасту выдерживают не менее 2 ч в эксикаторе, а затем помещают в стаканчик прибора.

На поверхность грунта в стаканчике спокойно опускают ко­нус. Если в течение 5 сек конус погрузится на глубину 1,0 см, (до метки), значит влажность грунта соответствует границе те­кучести. Если конус за то же время погрузится на глубину ме­нее 1,0 см или более 1,0 см, то в грунт добавляют соответствен­но воды или сухого грунта и после тщательного перемешива­ния повторяют опыт.

Для определения влажности из стаканчика отбирают не ме­нее 10 г грунта. Влажность определяют по методике, описан­ной в разделе 2.3.

Влажность выражают в целых процентах. Проводят два па­раллельных определения и за границу текучести принимают среднее арифметическое значение влажности. Результаты запи­сывают в таблицу 2.4. Расхождение в параллельных определениях должно быть не более 2%.

Определение границы раскатывания. Граница раскатывания W_p выражается влажностью грунта в момент перехода его из пластичного состояния в твердое.

В грунтовую пасту, оставшуюся после определения границы текучести, добавляют немного сухого грунта и перемешива­ют ее.

Кусочек подготовленного таким образом грунта ладонью раскатывают на листе плотной бумаги в жгутик диаметром около 3 мм. Раскатывание ведут так, чтобы жгутик не выступал из-под ладони. Если грунт при диаметре жгутика 3 мм распа­дается на отдельные кусочки, значит его влажность соответ­ствует границе раскатывания. Если в жгутике диаметром 3 мм грунт сохраняет пластичность, то его переминают, а затем вновь раскатывают.

Кусочки грунта, полученные при раскатывании, помещают в бюксу для определения влажности. Вес грунта должен быть не менее 10 г.

Влажность определяют по методике, описанной выше, и вы­ражают в целых процентах. Проводят два параллельных опре­деления и за границу раскатывания принимают среднее ариф­метическое значение влажности. Расхождение в параллельных определениях должно быть не более 2%.

Определение числа пластичности и показателя консистенции. Число пластичности W_П определяется по формуле

W_П = W_Т – W_Р,

где W_Т - влажность грунта на границе текучести в %;

W_Р - влажность грунта на границе раскатывания в %.

Наименование глинистого грунта, согласно СНиП II-Б. 1- 62, устанавливается по классификационной таблице 3.3.

Таблица 3.3

Виды глинистых грунтов

Наименование	Число пластичности
Супесь	1 £ WП < 7
Суглинок	7 < WП £ 17
Глина	WП > 17

Если W_T = 38% и W_P = 24% то W_П = 38 – 24 =14, значит грунт - суглинок, так как 7 < W_П = £ 17.

Показатель консистенции В определяется по формуле

где: W - естественная влажность грунта в % ;

W_Р - влажность грунта на границе раскатывания в %;

W_П - число пластичности.

Наименование глинистого грунта по консистенций, согласно СНиП II-Б. 1- 62, принимается по классификационной таблице 3.4.

Таблица 3.4.

Наименование глинистых (непросадочных) грунтов по консистенции

Наименование	Показатель консистенции	Наименование	Показатель консистенции
Супеси	Твердые	B < 0
Твердые	B < 0	Полутвердые	0£ B £ 0,25
Пластичные	0£ B £1	Тугопластичные	0,25 £ B £ 0,5
Текучие	B > 1	Мягкопластичные	0,5 < B £ 0,75
Суглинки и глины	Текучепластичные	0,75 < B £ 1
Текучие	B > 1

Для суглинка, у которого W_П = 14, W_Р = 24% и W = 16,7%

Значит, суглинок имеет твердую консистенцию.