Характеристики физического состояния грунтов Плотность грунта, плотность его твердых частиц и влажность грунта

Поскольку при нарушении структурных связей грунта его свойства изменяются, необходимо изучать состояние грунта при ненарушенной структуре. Для этого в процессе инженерно-геологических изысканий из шурфов и скважин отбирают монолиты – большие образцы грунта ненарушенной структуры. Из этих монолитов в лабораторных условиях берут меньшие образцы и экспериментально определяют три основные характеристики:

плотность (объемную массу) грунта ρ естественной (ненарушенной) структуры, равную отношению массы образца грунта к его объему;

плотность (объемную массу) твердых частиц грунта ρ_S, равную отношению массы твердых частиц к их объему;

природную весовую влажность грунта ω, равную отношению массы содержащейся в нем воды к массе твердых частиц.

Рис. 1.3. Схема составных частей (компонентов) образца грунта

Выделим из грунта образец объемом V = 1 см³ и мысленно разделим его на две части: одну, занятую твердыми частицами, объемом V₁ и другую, занятую порами, расположенными между этими частицами, объемом V₂ (рис.3). Пространство, занятое порами, можно разделить в общем случае также на две части, одна из которых занята водой, другая – воздухом. Пусть масса твердых частиц в объеме V будет g₁, а масса воды – g₂ (масса воздуха не оказывает влияния на результаты расчетов).

Плотность грунта определяют взвешиванием чаще всего по образцу, взятому в режущее кольцо, иногда парафинированием или другими методами. Плотность твердых частиц находят с помощью пикнометра. Влажность грунта устанавливают взвешиванием образца естественной влажности до и после высушивания (до постоянной массы) при температуре 105 °С.

Вычисляемые характеристики грунтов

Зная величины ρ, ρ_S и ω, можно вычислить ряд характеристик грунта. Введем понятие плотности (объемной массы) скелета грунта ρ_с (в СНиП 2.02.01-83 называется плотностью в сухом состоянии), равной отношению массы твердых частиц грунта к объему образца ненарушенной структуры до высушивания.

Зная плотность грунта (обычно выражаемую в т/м³), легко найти удельный вес грунта (в кН/м³) по формуле:

где g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с² (часто принимают 10 м/с²).

По аналогии удельный вес скелета грунта γ, и твердых частиц грунта γ_d найдем из выражений:

Состояние грунтов по водонасыщенности (коэффициент водонасыщенности Sr)

устанавливается в зависимости от коэффициента водонасыщенности S_r, (в СНиПе – степень влажности), который равен отношению естественной влажности грунта к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха), т. е. к полной влагоемкости ω_sat:

Согласно определению,

где ρ_w – плотность (объемная масса) воды.

Подставив значение ω_sat в выражение , найдем

Коэффициент водонасыщенности в ряде случаев характеризует качество грунтов. По водонасыщенности (степени влажности) различают грунты:

Грунты называют насыщенными водой при S_r>0,8, потому что они не содержат воздуха, сообщающегося с атмосферой. Пылевато-глинистые грунты (не лессовые) ниже зоны аэрация чаще всего имеют S_r>0,8. В связи с этим состояние по водонасыщенности используют как характеристику преимущественно для песчаных, крупнообломочных и лессовых грунтов.

При полной водонасыщенности грунтов (S_r=1) из выражения устанавливается зависимость между влажностью и коэффициентом пористости е:

В формулах плотность воды ρ_w обычно принимают равной 1 г/см³ (или 1 т/м³). Строго говоря, это не соответствует действительности, так как плотность прочносвязанной воды, как сказано ранее, существенно больше единицы.

Выталкивающая сила (по закону Архимеда):