Физико-механические свойства грунтов основания
свойства, характеризующие физические состояние грунта и способность изменять это состояние под влиянием физико-химических факторов — объемный и уд. вес, влажность, границы пластичности, липкость, усадка, набухание, размоканпе, водопроницаемость, структурная связность. Физические свойства грунтов изучаются в грунтоведении.
Объемн. в. грунта — вес единицы объема грунта. Различаются: объемн. в. влажного грунта (у г!см3), равный отношению веса образца грунта к его объему, и объемн. в. скелета грунта (уск г/см3) — отношение веса образца грунта, высушенного при 100—105° С, к его первоначальному объему. Объемн. в. грунтов устанавливают для образцов ненарушенного сложения и природной влажности, отобранных из скважин или шурфов, методами режущего кольца или парафинироваиия. По первому методу объемн. в. определяют как частное от деления веса грунта в объеме кольца (диаметром не менее 50 мм, высотой 40 мм) на его объем. По второму методу объем образца (овальной формы весом не менее 30 г, покрытого парафиновой оболочкой) определяют в воде по весу вытесненной воды. В полевых условиях объемн. в. грунта можно установить без отбора образца радиометрия. методохм, основанным на способности грунта поглощать лучи радиоактивного кобальта.
Уд. в. грунта (уч) равен отношению веса твердой фазы (частиц) грунта к весу воды равного объема. Уд. в. грунтов определяют в лаборатории в пикнометре (мерной колбе). Навеску грунта помещают в пикнометр, доливают дистиллированной водой и кипятят для удаления пузырьков воздуха, затем пикнометр с грунтом и водой охлаждают, доливают дистиллированной водой до метки и взвешивают.
Влажность грунта (W) — отношение веса содержащейся в грунте воды к весу абсолютно сухого грунта, выраженное в процентах. Влажность грунта определяют методом высушивания навески грунта при темп-ре 100—105° до постоянного веса. Можно оценить природную влажность грунта в массиве без отбора образцов, напр. определением электропроводности или радиометрия. методом.
Пористость грунта (п) — отношение объема пор ко всему объему, занимаемому грунтом, выраженное в процентах. Отношение объема пор к объему, занимаемому грунтовыми частицами, наз. коэфф. пористости (е). Пористость и коэфф. пористости грунта вычисляются по формулам на основании экспериментально определенных значений влажности, объемн. и уд. весов. Доля заполнения объема пор грунта водой наз. степенью влажности (G), величина ее может изменяться от 0 до 1 (полное насыщение).
Степень уплотнения песка характеризуется относит, плотностью (D), к-рая вычисляется по значениям коэфф. пористости песка в самом рыхлом, естественном и самом плотном состояниях. При этом D=0 для песка в самом рыхлом состоянии и D—1 для песка в самом плотном состоянии. Плотность глинистых грунтов характеризуется их консистенцией (В), к-рая в зависимости от количества воды в грунте может быть текучей, пластичной или твердой. Пластичность грунта — способность под воздействием внешних усилий деформироваться без разрыва сплошности и сохранять приобретенную форму после устранения действия внешней силы. В практике принят косвенный метод оценки пластичности, основанный иа определении диапазона влажности (влажность границы текучести и влажность границы раскатывания), в к-ром проявляются пластич. свойства грунта.
Граница текучести (WT) соответствует влажности, при незначительном превышении к-рой грунт переходит в текучее состояние. Границу текучести глинистых грунтов устанавливают по величине вдавливания под собственным весом баланснр- ного конуса весом 76 г, высотой 22 мм с углом заострения 30°. Граница текучести характеризуется весовой влажностью (в процентах) теста, изготовленного из грунта и воды, прн к-рой балансирный конус погружается за 5 сек на глубину 10 мм. Граница раскатывания (Wp) характеризуется весовой влажностью (в %) грунта, при незначительном уменьшении к-рой пластичное тесто, приготовленное из грунта и воды, при раскатывании в жгут толщиной 3 мм начинает крошиться. Разница во влажности на границе текучести и на границе раскатывания наз. числом пластичности (Wn).
Липкость, т. е. способность глинистого грунта при соприкосновении с различными предметами прилипать к ним, проявляется при влажности меньше WT и больше Wv. Липкость измеряется усилием, необходимым для отрыва металлич. пластинки от грунта.
К физическим свойствам грунтов относится влагоемкость, т. е. способность грунта поглощать определенное количество воды; влагоемкость подразделяется на гигроскопическую, максимальную молекулярную, капиллярную и полную. При оценке строит, свойств грунтов наибольшее значение имеет макс, молекулярная влагоемкость, к-рая характеризует количество связанной воды в грунте и по своей величине для глинистых грунтов близка к влажности на границе раскатывания. Максимальную молекулярную влагоемкость определяют по методу влагоемких сред, замешивая тесто из грунта, близкого по влажности к границе текучести. Затем лепешку из этого теста помещают под гидравлич. пресс и выдерживают под давлением 65,5 кг(см2\ ее весовая влажность характеризует макс, молекулярную влагоемкость или количество связной воды в грунте.
Набухание грунта — увеличение его объема прн взаимодействии с водой, вследствие чего развивается давление набухания. Усадка грунта — уменьшение объема при испарении свободной и капиллярной воды, в результате чего грунтовые частицы сближаются под влиянием сил молекулярного притяжения. Влажность, при к-рой на поверхности грунта появляются трещины, наз. пределом усадки. Величину усадки определяют по уменьшению линейных (линейная усадка) или объемных (объемная усадка) размеров образцов грунта и выражают в процентах по отношению к длине или объему влажного образца.
Водопроницаемость — способность грунтов пропускать через себя воду. Она характеризуется коэфф. фильтрации — к (см/сек или м/сутки). Коэфф. фильтрации равен скорости фильтрации при единичном градиенте напора. Коэфф. фильтрации песчаных грунтов определяют в приборах без внешнего давления на грунт, а глинистых грунтов — в приборах с внешним давлением на грунт, при постоянной пористости в процессе определения. Коэфф. фильтрации в полевых условиях определяется методом откачек.
Структурная связность грунтов—проявление внутренних связей в грунтах, определяющих в процессе формирования и последующего существования их структуры. Структурные связи обусловлены силами молекулярного взаимодействия между минеральными частицами и водой или цементацией. По своей природе они разделяются на водно-коллоидные (эластичные и вязко-пластичные) и кристаллизационные (жесткие). Способность нек-рых грунтов с водно-коллоидными связями, иапр. илов, восстанавливать в известной мере разрушенную структуру наз. тиксотропией. Оценивают структурную связность по разности механич. прочности (предельное напряжение сдвига или минимальное давление расплющивания) образцов нарушенной и ненарушенной структуры.
Размокаемость грунтов — способность глинистых грунтов при впитывании воды терять связность и превращаться в рыхлую массу с полной потерей несущей способности. Показателем размокания является время распада образца грунта в воде и характер распада.
Физические свойства грунтов зависят от их гранулометрия, и минералогич. составов, от состава обменных катионов, присутствия гумуса. Гранулометрическим составом грунта наз. содержание в нем частиц различной величины, выраженное в процентах к весу абсолютно сухого образца. Частицы грунта, близкие по величине, объединяют в гранулометрич. фракции, напр. частицы более 2 мм называют гравием; от 2 до 0,10 мм — песком; 0,10— 0,005 — пылью; менее 0,005 — глинистыми. По гранулометрич. составу классифицируют песчаные и крупнообломочные грунты.
Гранулометрич. состав грунта определяют ситовым методом — рассеиванием грунта на ситах, и гидравлич. методом, основанным на различной скорости падения в воде частиц разной крупности. Сюда относятся метод отмучивания (для песков), предусматривающий носледовательное взятие проб из суспензии (нипеточный), и метод, основанный на учете изменения плотности суспензии во времени (ареомет- рпческпй).
Минералогпч. состав грунтов, гл. обр. состав минералов их глнпистой фракции, обусловливает количественные показатели физических свойств грунта благодаря различному строению крпсталлич. решеток минералов и различной интенсивности взаимодействия их с водой. Особенно выделяются грунты группы монтмориллонита и каолинита. Минералы группы монтмориллонита, имеющие наиболее подвижную крпсталлич. решетку, отличаются высокими дисперсностью, пористостью, пластичностью, набуханием, липкостью, усадкой, малой водопроницаемостью. Из одновалентных обменных катионов чаще всего присутствует в грунтах ион натрия, к-рый увеличивает дисперсность грунтов, их пластичность, набухание, липкость, ухудшает строит, качества.