Физические свойства. Плотность, пустотность, теплофизические, электрофизические, магнитные, акустические.

Свойства грунта – особенность, обуславливающая его различие или сходство с другими грунтами и проявляющаяся во взаимодействии с ними или с различными полями и веществами (например цвет, пластичность, электропроводность и др.) Существует бесчисленное множество свойств грунтов. Выделяют классы химических, физико-химических, физических и биотических свойств грунтов, отличающихся своей природой. Химические свойства характеризуют химические процессы в грунтах(т.е химические изменения, и их способность участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами) Пример: реакции меняющие их химико-минеральный состав, в результате процессов окисления, восстановления, гидролиза, гидратации, растворения и т.д.; растворимость грунтов, химическая поглотительная способность, химическая агрессивность грунтов); физико- химические- различные поверхностные явления и физико- химические процессы в грунтах, происходящие на молекулярном и микроуровне, но без явных химических превращений (адсорбционные свойства, диффузионные свойства, осмотические, капиллярные свойства, набухаемость, усадочность, водопрочность, размокаемость, размягчаемость и др). Физические свойства проявляются в результате действия на них различных физических полей: гравитационного, теплового, электрического, магнитного, гидродинамического, аэродинамического, радиационного, механического и др. Биотические свойства отражают процессы и взаимодействия, происходящие в грунтах с участием живой (биотической) составляющей (биологическая активность грунтов, биотическая поглотительная способность, биоагрессивность и др.)

Физические свойства

1.Плотность, ρ

Плотность –физическое свойство грунтов, количественно оцениваемое величиной отношения их массы к занимаемому объему.

Характеризует ρ втеле сооружений и в естественных условиях. Определяется составом структурных элементов, структурой – кристаллической решетки, сложением структурой, текстура и кристаллическая решетка, и структура – плотность массива.

Это минеральный состав, строение, которые определяются степенью петрогенеза, метаморфизма, литификации, техногенеза.

Используют: ρ – плотность грунта, γ – удельный вес грунта;

ρ_d –плотность скелета грунта, γ_d–удельный вес скелета грунта;

ρ_s – плотность частиц грунта, γ_s – удельный вес частиц грунта.

Везде г/см³.- для плотностей и Н (кгс)/см³- для уд. весов.

Используются показатели относительной плотности и уплотненности песков, показатель степени уплотненности глин.

ρ_{s –} средняя плотность минералов и органического вещества, слагающих грунт; ρ_s = m_s/v_s . Чем больше тяжелых элементов (Fe, Mn, тем тяжелее).

У грунтов магматического происхождения увеличивается от кислых к основным:

Гранит 2.64-2.67; сиенит 2.65-2.70, гранодиорит 2.66-2.80, диорит 2.70-2.92, габбро 2.87-3.10, перидотит 3.0-3.25, пироксенит 3.15-3.32 г/см³.

У осадочных достаточно стабильные значения для песков 2.65, супесей 2.70, суглинков 2.71, глин 2.74, у почв и пород с органикой 2.20-2.60 г/см³.

Определяется пикнометрическим способом в воде – для грунтов без легко растворимых солей, в керосине – для грунтов с солями.

ρ – масса единицы объема породы с естественной w и ненарушенным строением определяется и с нарушенным max ρ при оптимальной w.

Зависит от строения, плотности частиц, содержания органического вещества, воды.

Для скальных близка к ρ_s

Для глинистых, песчаных изменяется от 1.3 до 2.4 г/см³.

Определяется обмером, методом режущих колец и взвешиванием в воде.

ρ_d – плотность скелета грунта – масса твердого компонента в 1 объема;

зависит от минерального состава и структуры.

ρ_d = ρ/(1+0.01w) г/см³

для песка с наруш. ест. сост. Определяют в плотном и рыхлом сложении и также коэффициент пористости. Соответственно для них определяют коэффициент плотности

2. Пустотность:

1)поровая 2)трещинная

Пористость. Показатели n или e , средний d пор, средний периметр пор, средняя площадь пор, средний объем пор и др.

Определяется структурой, степенью литификации, размером агрегатов и т.п.

Пористость характеризует объем пор в единице объема грунта

n- общая пористость n=(v_г+ж/v)x 100%

Коэффициент пористости равен отношению объема пор к объему твердой компонентыгрунта

e- коэффициент пористости e=v_г+ж/v_т

n изменяется от 0.1 – скальные до 90% - торф, ил

e изменяется от 0.3 и больше до 20;

n и eможно определить через ρ_s и ρ_d

n=(ρ_s-ρ_d)/ρ_s x100%;

e=(ρ_s-ρ_d)/ρ_d

n и е между собой связаны n= e/(1+e); e=n/(100-n).

Знания общей пористости мало для прогноза свойств грунта.

Необходимы: распределение пор, извилистость, средний размер и др.

Методы, кроме расчетных: ртутной порометрии, морфологического анализа структуры водонасыщения

Пески

Знание пористости позволяет вычислить относительную плотность песка D=(e_max-e)/(e_max-e_min)

Для оценки способности грунта к уплотнению используется показатель уплотняемости F

F=(e_max-e_min)/e_min,

где: e_max=(ρ_s-ρ_min)/ρ_min; e_min=(ρ_s-ρ_max )/ρ_max

Глинистые грунты

Пористость глинистых отложений, легко изменяется при внешней нагрузке, они уплотняются. Это уплотнение может происходить и в естественных условиях. По мере уплотнения прочность глинистых грунтов возрастает. Для оценки степени уплотнения глинистых грунтов определяют показатель степени уплотнения (коэффициент В. А. Приклонского) Kd.

Kd= (e_L-e)/(e_L-e_p)

3.Теплофизические свойства.

Теплофизические свойства оказывают большое влияние на различные природные процессы (выветривание, почвообразование, сезонное и многолетнее протаивание и промерзание), соответственно это отражается на условиях работы инженерных сооружений. Для изучения процессов тепло- и влагопереноса, расчета чаши протаивания в мерзлых грунтах, используются теплофизические характеристики грунтов. Основные характеристики: теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность грунтов.

Теплота ΔQ, сообщенная грунту, расходуется согласно первому закону термодинамики на изменение его внутренней тепловой энергии ΔU и на работу А, связанную с расширением грунта ΔQ=ΔU+A. Для твердых и жидких тел работа А пренебрежительно мала. Сообщение грунту теплоты вызывает приращение его температуры: ΔQ=CmΔt, где m- масса грунта; С- коэффициент пропорциональности, называемый теплоемкостью – количество тепла, которое надо сообщить телу для нагревания его на 1^оС .

С=ΔQ/mΔt=Дж/кгх^оС = ЭРГ/гх^оС

а) теплоемкость – способность поглощать тепло, измеряется количеством тепла которое необходимого для изменения температуры единицы массы или объема грунта на 1°С. Поэтому различают Объемная теплоемкость С_v- равна количеству тепла необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°С. и Удельная (весовая) теплоемкость С количество тепла, которое надо сообщить телу, чтобы нагреть его на 1^оС;

С=ΔQ/mΔt ;ΔQ –теплота, m – масса грунта, Δt –приращение температуры.

С - изменяется для породообразующих минералов в небольших пределах: от 0.7 (для кварца) до 0.9 кДж/кгхград (для монтмориллонита и др. глинистых минералов). При определении теплоемкости грунта учитывается совместная теплоемкость с водой и воздухом. Водонасыщение приводит к замене газа (теплоизолятора) на воду и соответственно к увеличению теплоемкости;

б) коэффициент теплопроводности λ – характеризует способность материала проводить тепло; величина, равная количеству тепла, проводимого грунтом через единицу площади при температурном градиенте, равном 1; Вт/м²С^о ; ЭРГ/см^{2 о}С; кал./см^{2 о}С Анализ влияния состава грунтов на теплопроводность λ дал следующий постепенно увеличивающийся ряд: (min) торф- глина- суглинок- лесс- супесь- песок- крупнообломочные породы (max).

в) коэффициент температуропроводности – ахарактеризует инерцию изменения температуры, т.е скорость распространения изменения температуры вследствие поглощения или отдачи тепла и измеряется в м²/с (метр квадратный на секунды).а= λ/С_v или а= λ/ρC