ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГРУНТОВ

Сложность строения природных грунтов и влияние на них физи­ко-геологических процессов (часто весьма длительных) вызывают необходимость при оценке грунтов определять их свойства или в ус­ловиях естественного залегания, или по образцам естественной не­нарушенной структуры.

Основным отличием природных грунтов от скальных пород (мас­сивно-кристаллических) является отсутствие спайности (относитель­но малое число кристаллизационных связей) и значительная по­ристость (обусловленная их раздробленностью).

Для определения ф и з и ч е с к и х свойств грунтов (порис­тости, водонасыщенности и пр.) необходимо знать три простейших показателя: — объемный вес грунта естественной структуры; _уд — удельный вес твердых частиц грунта; W — природную влаж­ность грунта.

Объемный вес грунта определяется по образцам, взятым из буровых скважин специальным прибором «грунтоносом» с мини­мальным нарушением структуры или из шурфов — особым режу­щим кольцом, и должен вычисляться с достаточной точностью (до 0,01 Г/смг), так как он является важнейшей исходной характери­стикой грунтов, без знания которой невозможно определить целый ряд показателей, входящих в уравнения механики грунтов. Величи­на объемного веса грунта обусловливается геологической историей формирования и последующего существования грунта и должна оп­ределяться по образцам ненарушенной структуры особенно тща­тельно.

Удельный вес грунта _уд является показателем, главным обра­зом, минералогического состава данного грунта и определяется пикнометрически. Для большинства грунтов он меняется в незначи­тельных пределах — от 2,50 до 2,80 и в среднем равен для песков 2,65 и для глин — 2,70.

Влажность грунта W определяется по результатам взвешивания естественной пробы грунта и после ее полного высушивания (при 105° С).

Для уяснения применяемых в дальнейшем терминов обозначим для некоторого объема грунта: V₁—объем твердых частиц; V₂ — объем пустот (пор); g₁ — вес твердых частиц; g₂ — вес воды в порах грунта (вес воздуха по незначительности не учитываем).

Условимся далее называть объемным весом грунта отношение веса всего грунта (со всеми включениями) к его объему, т. е.

= .

удельным весом - отношение веса твердых частиц грунта только к их объему, т. е.

_уд=

влажностью грунта (весовой) - отношение веса воды к весу высу­шенного грунта (или к весу твердых частиц), т. е.

W =

Введем дополнительные понятия: объемный вес скелета грунта _ск - отношение веса твердых частиц ко всему объему грунта, т. е.

_ск=

объемный вес воды ув — отношение веса воды в некотором объеме к величине этого объема, равный

_в = 1 Г/см³ == 0,001 кг/см³.

Отметим, что нам пришлось остановиться на приведенных эле­ментарных определениях лишь ввиду важности в дальнейшем их правильного определения.

Коэффициент пористости и коэффициент водонасыщеннвсти. Коэффициентом пористости грунта е называется отношение объема пор грунта к объему его скелета, т. е.

= , (1-1)

где n — объем пор в единице объема грунта; m — объем твердых частиц также в единице объема грунта.

Очевидно, что n+m=1.

Объем твердых частиц т грунта будет равен отношению веса твердых частиц в единице объема (численно равного _ск) к их удельному весу _уд, т. е.

m = .

Тогда, принимая во внимание, что n=1- m, получим

= . (12)

Что касается объемного веса скелета грунта _ск, то его легко определить, учитывая, что влажность грунта W равна отношению веса воды - _ск к весу скелета грунта _ск, т. е.

W= ,

откуда объемный вес скелета грунта равен

_ск= . (1.3)

Здесь и в дальнейшем весовая влажность грунта W берется в долях единицы (например, W=0,20 и т. д.).

Формулы (1.2) и (1.3) позволяют определить для условий ес­тественного залегания грунтов величину их коэффициента пористос­ти - эту важнейшую характеристику природной уплотненности грунтов, играющую важную роль в механике грунтов (при расчете осадок оснований сооружений и др.).

Величина коэффициента пористости для грунтов меняется в довольно широких пределах (примерно от = 0,20 до =1,5 и для органо-минеральных грунтов — до 2—12). Для достаточно уплотнен­ных грунтов <1, если же >1, то это показывает, что грунт весьма рыхлого, неуплотненного сложения, и строительство на таких грун­тах жилых зданий и промышленных сооружений требует специаль­ных мер по искусственному их упрочнению.

Отметим важное соотношение, вытекающее из определения ко­эффициента пористости. Имеем

= или =

n+m=1

Решая систему уравнений (а) относительно п и т, получим: объем пор грунта в единице его объема

n = . (1.4)

и объем твердых частиц

m = . (1.5)

Коэффициентом водонасыщенности грунтов I_в (или по СНиПу, степенью влажности С) называется отношение природной влажнос­ти W грунта к его полной влагоемкости W_п.в, соответствующей полному заполнению пор грунта водой, т. е.

I_в=

При полном заполнении пор грунта водой влажность будет рав­на отношению веса воды в объеме пор ( ) к весу твердых

частиц ( ), т. е.

W_п.в.= или W_п.в.= (б)

Подставляя полученное значение W_п.в. в выражение (1.6), полу­чим для коэффициента водонасыщенности (по СНиПу, степени влажности О) выражение

I_в= (1.6)

Из выражения (б), полагая объемный вес воды _в=1 Г/см³, по­лучаем новое выражение для коэффициента пористости полностью водонасыщенных грунтов:

= W_{п.в уд}, (1.7)

т. е. коэффициент пористости полностью водонасыщенного грунта равен произведению влажности на удельный вес.

Коэффициент водонасыщенности природных глинистых грунтов близок к единице. Однако во многих случаях вследствие наличия в грунтовой воде пузырьков газов он несколько меньше единицы, что в высокой степени сказывается на сжимаемости поровой воды. При учете сжимаемости поровой воды коэффициент водонасыщенности должен быть определен с высокой степенью точности (до 0,1%).

Несвязные (сыпучие) грунты, по классификации СНиПа, раз­деляются на следующие группы:

Маловлажные............ при I_в 0,5

Влажные............... при 0,5< I_в 0,8

Насыщенные............. при I_в 0,8

При неполном водонасыщении (I_в<1) грунт будет представлять трехфазную систему частиц: твердые минеральные частицы, вода и газы; при полном же водонасыщении (I_в=1) неуплотненные грун­ты (в большинстве случаев залегающие ниже уровня грунтовых вод) - пески, супеси, илы, слабые суглинки и глины при наличии в порах свободной, гидравлически непрерывной воды представляют особый класс двухфазных грунтов, так называемую грунтовую мас­су, для которой применима специальная теория фильтрационной консолидации (уплотнения) грунтов.

Следует отметить, что для грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод и находящихся в состоянии грунтовой массы, скелет грунта будет испытывать взвешивающее действие воды.

Учитывая для единицы объема грунта вес твердых частиц в во­ле ( _уд - _в) и их объем ( ), получим для объемного веса грунта, облегченного весом вытесненной им воды, выражение

' = , (1.8)

а учитывая, что =1- n, будем иметь другое выражение для ( '):

' =( )(1-n). (1.8')

Классификационные показатели грунтов приме­няются для отнесения грунтов к той или иной категории, чтобы предусмотреть в самых общих чертах поведение грунтов при воз­ведении на них сооружений и выбрать нормативные давления на грунтовые основания (для назначения предварительных размеров фундаментов), а в отдельных случаях и установить возможность применения в расчетах тех или иных теоретических решений меха­ники грунтов (теории сыпучих тел, фильтрационной теории консо­лидации, теории ползучестии пр.).

К классификационным показателям грунтов мы относим веще­ственный состав грунтов (зерновой и минералогический, влажность и газосодержание) и характеристики физического состояния (плот­ность - для песчаных и консистенцию - для глинистых). Послед­ние характеристики являются в известной мере условными, позволя­ющими косвенным путем определить приближенно некоторые рас­четные показатели механических свойств грунтов, использовав, например, нормативные данные (СНиП) и другие материалы.

Зерновой состав песчаных и крупнообломочных грунтов, по ко­торому в зависимости от крупности частиц присваивается то или иное наименование, был указан в § 2.

Для глинистых же грунтов первостепенное значение имеет не общий зерновой состав, а содержание мелких и мельчайших частиц (плоскочешуйчатых или тонкоигольчатых — мономинеральных час­тиц размером менее 0,005 мм) и, главное, диапазон влажности, в котором грунт будет пластичным.

Содержание глинистых частиц в грунте определяется специаль­ными лабораторными анализами, методика которых излагается обычно в курсах грунтоведения; диапазон же влажности, при кото­ром грунт будет пластичным, может быть найден весьма простым испытанием. Этот диапазон характеризуется так называемым чис­лом пластичности W_пл и равен разности между двумя весовыми влажностями, выраженными в процентах, характерными для гли­нистых грунтов: границей текучести W_Т и границей пластичности (раскатывания) W_р:

W_пл = W_Т - W_р. (1.9)

Первая граница W_Т соответствует влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние. Эта влажность определяется услов­ным стандартным испытанием путем нахождения влажности такой густоты грунтовой пасты (искусственно замешанного с водой грун­та), при которой стандартный балансирный конус (по ГОСТ 5184_49) весом 76 Г с углом при вершине в 30°) погружается в грунт от собственного веса на глубину в 10 мм.

Вторая граница (раскатывания) W_р соответствует влажности, при которой грунт теряет свою пластичность. Она приблизительно равна влажности жгута, сделанного из грунта и раскатываемого на бумаге до потери им пластичности, т. е. когда жгут диаметром 3 мм, подсыхая во время раскатывания, начинает крошиться, тогда кусочки грунта, потерявшие пластичность, собирают, взвешивают, высу­шивают, вновь взвешивают и вычисляют влажность W_р.

Продолжая далее опыт, визуально определяют минимальный диаметр, на который удается раскатать грунт. Как показали специ­альные опыты, этот диаметр различен для разных грунтов и соот­ветствует определенному весовому содержанию в грунте физической глины.

Несмотря на весьма элементарное и условное определение гра­ниц текучести и раскатывания (первоначальное понятие о которых было предложено в Швеции проф. Аттербергом), эти границы в со­поставлении их с природной влажностью грунтов хорошо характе­ризуют физическое состояние глинистых грунтов и рекомендуются СНиПом.

На основании многочисленных исследований грунтоведов и ин­женеров-строителей земляных сооружений, учитывая изложенное о характерных влажностях глинистых грунтов, можно рекомендовать для строительных целей упрощенную гранулометрическую класси­фикацию грунтов (табл. 1).

Таблица 1