Физические свойства и классификационные показатели грунтов. Муфтайдинов Н. Н. Тпгс20(21)(Д) Физические свойства и классификационные показатели грунтов
Скачать 40.38 Kb.
|
Муфтайдинов Н.Н. ТПГС-20(21)(Д) 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 Iв (или по СНиПу, степенью влажности С) называется отношение природной влажности W грунта к его полной влагоемкости Wп.в, соответствующей полному заполнению пор грунта водой, т. е. Iв= При полном заполнении пор грунта водой влажность будет равна отношению веса воды в объеме пор ( ) к весу твердых частиц ( ), т. е. Wп.в.= или Wп.в.= (б) Подставляя полученное значение Wп.в.в выражение (1.6), получим для коэффициента водонасыщенности (по СНиПу, степени влажности О) выражение Iв= (1.6) Из выражения (б), полагая объемный вес воды в=1 Г/см3, получаем новое выражение для коэффициента пористости полностью водонасыщенных грунтов: = Wп.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 Iв 0,5 Влажные............... при 0,5< Iв 0,8 Насыщенные............. при Iв 0,8 При неполном водонасыщении (Iв<1) грунт будет представлять трехфазную систему частиц: твердые минеральные частицы, вода и газы; при полном же водонасыщении (Iв=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 Wпл и равен разности между двумя весовыми влажностями, выраженными в процентах, характерными для глинистых грунтов: границей текучести WТ и границей пластичности (раскатывания) Wр: Wпл = WТ - Wр. (1.9) Первая граница WТ 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) Wр 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 Wр. 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 |