Лабораторная работа № 9 исследование показателей влажности и консистенции глинистых горных пород (грунтов)

1. Общие положения

1.1. Под влажностью породы понимают содержание в её порах того или иного количества воды, удаляемой при температуре (105 ± 2)^ºС. Показателями влажности являются: влажность породы, полная влагоёмкость, коэффициент водонасыщения и др.

1.1.1. Влажность породы W – это количество воды, содержащейся в данный момент в породе, выраженное в долях единицы относительно массы абсолютно сухой породы. Численно она равна отношению массы воды в порах (m_в) к массе абсолютно сухой породы (m_т):

, (1)

1.1.2. Природная (естественная) влажность породы – это влажность породы, определённая по природным (естественным) образцам породы.

Величина природной влажности является важной характеристикой физического состояния породы, определяющей её прочность и поведение под сооружениями. Особое значение влажность имеет для глинистых пород, резко изменяющих свои свойства в зависимости от степени увлажнения. В меньшей степени это относится к тонкозернистым пескам. Природная влажность является косвенным показателем, необходимым для расчёта плотности породы, пористости, степени влажности и др.

Природная влажность породы – величина переменная. Если ниже уровня грунтовых вод (в зоне насыщения) она почти не меняется, то выше уровня грунтовых вод (в зоне аэрации) природная влажность изменяется во времени. Наблюдаются суточные, сезонные и годовые колебания, обусловленные погодными и климатическими факторами. На природную влажность оказывают влияние и искусственные факторы – орошение, водозабор и др.

У скальных пород влажность мала и изменяется от долей процента до первых процентов. У полускальных пород природная влажность может достигать 15–20 %, иногда более. Влажность песчаных и глинистых пород в условиях естественного залегания может изменяться в очень широких пределах: от 40 % в песках и глинах до 80–90% и более (в районе г. Мехикодо 300 %).

1.1.3. Полная влагоёмкость – это предельная влажность породы, возможная при данной пористости породы:

, (2)

где е – коэффициент пористости;

– плотность частиц породы, г/cм³;

– плотность воды, принимаемая = 1 г/см³.

1.1.4. Для более полной характеристики физического состояния породы необходимо ещё знать степень заполнения пор в породе водой, т.е. насколько полно поры породы заполнены водой. Для этого и определяется коэффициент водонасыщения породы (ранее применялись термины – относительная влажность, степень влажности, коэффициент влажности).

Коэффициент водонасыщения S_r – представляет собой отношение природной влажности (W) к полной влагоёмкости породы ( ):

, (3)

Путём математических преобразований формулы (3) коэффициент водонасыщения можно определить как отношение объёма воды в порах ( ) к общему объёму пор в породе ( ):

. (4)

Величина изменяется от для абсолютно сухих пород до , когда все поры в породе полностью заняты водой. При < 1 в порах породы кроме воды присутствует также некоторое количество воздуха.

1.2. При изменении влажности глинистой породы изменяется её консистенция. Консистенция – это степень подвижности породы (частиц породы) или сопротивляемость породы внешним механическим воздействиям при различной влажности. Консистенция пород проявляется только при их деформации.В зависимости от влажности глинистые породы имеют три основные формы консистенции: твердую, пластическую и текучую, а также ряд промежуточных форм (см. табл. 2). Границам разных форм консистенции соответствуют характерные значения влажности, определяющие момент перехода породы из одного состояния (консистенции) в другое.

Пластичность породы – это способность породы изменять под воздействием внешних сил свою форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять полученную форму после прекращения действия внешних сил. Проявление пластичности горных пород связано с изменением температуры, давления и влажности. При определённом изменении влажности в условиях обычных температур и давлений пластичность приобретают лишь глины, лёссы, мергели, мел, почвы и некоторые искусственные породы. Наиболее ярко пластичность проявляется в глинистых породах. Пластичность глинистых пород характеризуется тремя показателями: влажностью на границе текучести, влажностью на границе раскатывания и числом пластичности.

1.2.1. Влажность на границе текучести – это пограничное значение влажности, между текучей консистенцией породы и пластичной.

1.2.2. Влажность на границе раскатывания – это пограничное значение влажности, между пластичной консистенцией породы и твёрдой.

1.2.3. Число пластичности – разность влажностей, консистентных переходов глинистой породы:

. (5)

Число пластичности характеризует интервал влажности, в котором глинистые породы находятся в пластическом состоянии. Число пластичности возрастает в породах с большим содержанием глинистых частиц, поэтому все глинистые породы согласно классификации по ГОСТ 25100–95 (ГРУНТЫ) подразделяются на следующие разновидности (табл. 1).

Таблица 1