Строительная классификация грунтов по физическим свойствам

 

Плотность – отношение массы твердых частиц грунта к их объему. Эта характеристика зависит только от плотности слагающих грунт минералов. Кроме того, различают еще несколько подобных характеристик, учитывающих содержание в грунте воды, газов и т. д. (объемная масса скелета грунта, объемная масса абсолютно сухого грунта, объемная масса влажной породы).

Плотность грунта определяют взвешиванием чаще всего по образцу, взятому в режущее кольцо, иногда парафинированием или другими методами, в т. ч. путем гамма-каротажа. Плотность твердых частиц находят с помощью пикнометра. Влажность грунта устанавливают взвешиванием образца естественной влажности до и после высушивания (до постоянной массы) при температуре 105(±2) °С.

Влажность – содержание в грунте того или иного количества воды.

Влажность грунта бывает весовой и объемной. Весовой влажностью называется отношение веса воды в образце грунта к весу твердых частиц грунта (скелета). Объемной влажностью называется отношение объема воды в образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта). Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 % (например у ила, торфа).

Разделение физических характеристик грунта на производные и классификационные весьма условно, так как и те, и другие одновременно являются и производными, и классификационными. По величине удельного веса сухого грунта можно делать предварительные выводы о пригодности данного грунта для целей строительства. Грунты с удельным весом сухого грунта в пределах 11 – 13 кН/м³, как правило, являются непригодными для целей строительства. Прочным грунтам соответствует удельный вес в сухом состоянии в пределах 16 – 18 кН/м³.

Пористость – суммарный объем всех пор в единице объема грунта, независимо от их величины, заполнения и характера взаимосвязи. Коэффициент пористости равен отношению объема пустот к объему твердой фазы грунта, выраженному в долях единицы.

Коэффициент пористости и пористость позволяют более дифференцированно оценить пригодность грунтов для целей строительства. Например, при значении коэффициента пористости больше единицы грунты, как правило, непригодны для целей строительства. Прочным грунтам соответствуют значения коэффициентов пористости в пределах 0,4–0,6. Кроме этого, коэффициент пористости и показатель текучести являются входными параметрами в нормативные таблицы, позволяющие определять для предварительных расчетов прочностные и деформационные характеристики грунта.

Степенью водонасыщения, или степенью влажности называют отношение объема воды к объему пор.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты подразделяются:
S_r £ 0,5 – маловлажные, 0,5 < S_r £ 0,8 – влажные, 0,8 < S_r £ 1 – насыщенные водой.

 

 

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

Плотность сложения – это плотность укладки-упаковки частиц.

Для песчаных грунтов плотность имеет первостепенное значение при оценке их свойств как оснований для сооружения. Если0 £ D £ 1/3 – рыхлое состояние, 1/3 £ D < 2/3 – средняя плотность, 2/3 < D £ 1 – плотное состояние.

 

 

Значение е _mах определяют при свободном насыпании песка в мерный сосуд, а значение e _min – при максимальном уплотнении песка постукиванием или вибрированием в мерной колбе.

Поскольку кварцевые окатанные пески имеют более или менее стабильные значения е _max и е _min, ГОСТ 5180–84 рекомендует определять их состояние по плотности сложения, руководствуясь приведенной в нем таблицей коэффициента пористости е. Для нахождения коэффициента е необходимо иметь образец грунта ненарушенной структуры. Отбор образцов песчаного грунта ниже уровня подземных вод требует применения специальной аппаратуры.

Состояние грунтов по плотности сложения правильнее определять на основании данных статического или динамического зондирования, полученных с применением стандартных зондов. По сопротивлению, которое оказывает грунт погружению в него зонда, с учетом крупности и обводненности песка по таблицам СНиП 11–02–96 устанавливают состояние песка.

Пластичность – способность грунта изменять форму без нарушения сплошности под воздействием внешних усилий и сохранять приданную форму после устранения воздействия. Пластичность грунтов изменяется в зависимости от количества и качества находящейся в грунте воды.

Консистенция – степень подвижности частиц грунта, обусловленная различным содержанием в нем воды.

Если взять образец пылевато-глинистого грунта, находящегося в пластическом состоянии (когда из глины можно лепить), и высушить его, то глина превращается в твердое тело. Если же, наоборот, к образцу добавлять воду, можно достигнуть такого состояния, при котором глина по свойствам будет соответствовать вязкой жидкости. Таким образом, пылевато-глинистые грунты могут менять консистенцию (густоту теста) от твердой до текучей.

Для определения консистенции грунта находят характерные влажности, соответствующие границе раскатывания (пластичности) W_p и границе текучеcти W_L (здесь W_p – влажность грунта, при которой он теряет способность раскатываться в шнур диаметром 2...3 мм; W_L – влажность грунта, при которой стандартный конус погружается в образец на глубину 10 мм). Разность между этими влажностями называется числом пластичности I_P.

По числу пластичности устанавливают вид пылевато-глинистого грунта (табл. 2.5).

 

Таблица 2.5

Разновидности глинистых грунтов по числу пластичности

 

Значение числа пластичности	Наименование вида грунта
0,01 > Ip	песчаный грунт
0,01 ≤ Iр ≤0,07	супесь
0,07 < IР ≤ 0,17	суглинок
IР > 0,17	глина

Для большей наглядности классификацию вида грунта по числу пластичности удобно представить в форме диаграммы:

 

 

По показателю текучести устанавливают состояние (консистенцию) грунта. Различают состояния: твердое (0 > I_L); пластичное (0 ≤ I_L < 1); текучее (I_L ≥ 1). Пластичное состояние суглинков и глин подразделяют на полутвердое (твердопластичное), тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Разновидности глинистых грунтов по показателю текучести

 

Разновидность глинистых грунтов	Показатель текучести IL
Супесь:
· твердая	< 0
· пластичная	0 – 1
· текучая	> 1
Суглинки и глины:
· твердые	< 0
· полутвердые	0 – 0,25
· тугопластичные	0,25 – 0,50
· мягкопластичные	0,50 – 0,75
· текучепластичные	0,75 – 1,00
· текучие	> 1,00

 

Прочные грунты находятся, как правило, в состоянии от твердого до тугопластичного. Ниже приводится диаграмма, позволяющая установить состояние пылевато-глинистого грунта по показателю текучести:

 

 

Текучее и текучепластичное состояние грунта делают его непригодным для целей строительства. Если полная влагоемкость грунта W_sat превышает его влажность на границе текучести W_L, это свидетельствует о непригодности грунта для целей строительства при потенциальной подтопляемости территории. Физические характеристики грунта используются для анализа инженерно-геологических условий площадки строительства с выводами о пригодности грунтов, слагающих сжимаемую толщу в основании фундаментов.

Относительная просадочность грунта определяется на основе испытаний образцов грунта на сжатие без возможности бокового расширения. По относительной деформации просадочности глинистые грунты подразделяют согласно таблице 2.7.

 

Таблица 2.7

 

Разновидности глинистых грунтов по показателю относительной

деформации просадочности

 

Разновидность глинистых грунтов	Относительная деформация просадочности , д. е.
Непросадочный	< 0,01
Просадочный	0,01

 

Состояние грунтов по плотности сложения, консистенции глинистых грунтов и выявлению слабых прослоек грунта правильнее определять на основании данных статического или динамического зондирования, полученных с применением стандартных зондов. По сопротивлению, которое оказывает грунт погружению в него зонда, с учетом крупности и обводненности песка, по таблицам СНиП 11–02–96 устанавливают состояние песка.

Зондированием грунта называется погружение в грунт конуса стандартного размера. При статическом зондировании измеряется усилие погружения (задавливания домкратом) конуса, при динамическом зондировании – количество ударов, необходимое для погружения конуса также на заданное расстояние по глубине.

В результате статического зондирования строятся графики зависимости удельного сопротивления погружению конуса с углом при вершине 60° в зависимости от глубины залегания грунтов, в которые он вдавливается. При этом боковое сопротивление погружению штанги, на которую насажен конус, исключается.

В результате динамического зондирования строятся графики зависимости количества ударов для погружения стандартного конуса (на 10 см) или пробоотборника в зависимости от залегания тех или иных пластов грунта (рис. 2.3).

 

 

Рис. 2.3. Интерпретация результатов зондирования по глубине, м:

а – статического; б – динамического

 

После проведения зондирования выявляются слабые слои грунтов основания, и дается не только качественная, но и количественная оценка сопротивления грунтов внедрению
конуса.

 

2.4. Понятие об оптимальной плотности скелета грунта
и оптимальной влажности

При устройстве искусственно улучшенных оснований, засыпке грунтом пазух фундаментов, возведении насыпей при планировке территории или прокладке дорог приходится уплотнять грунт, в т. ч. и пылевато-глинистый. Для оценки уплотняемости грунт при данной влажности подвергают исследованию согласно ГОСТ 22733–77 в приборе Союздорнии для стандартного уплотнения. Грунт укладывают в прибор тремя слоями, и каждый слой уплотняют 30...40 ударами стандартного груза, сбрасываемого с определенной высоты. Таким образом, исследуют один и тот же грунт при различных влажностях. После уплотнения определяют плотность (объемную массу) грунта р и влажность W. Затем вычисляют плотность (объемную массу) скелета грунта ρ_d, характеризующую его уплотненность, и строят графическую зависимость ρ_d – w (рис. 2.4).

По графику определяют влажность, при которой стандартным уплотнением достигается наибольшая плотность скелета грунта ρ_d. Эта влажность называется оптимальной влажностью W_opt, так как грунт, характеризуемый такой влажностью, при одной и той же затрате энергии может быть уплотнен до наибольшей плотности скелета грунта. Наибольшее значение ρ_d, достигнутое в приборе стандартного уплотнения при оптимальной влажности, называется оптимальной плотностью скелета грунта ρ_d,opt.

Рис. 2.4. Зависимость плотности (объемной массы) скелета грунта ρd от его влажности после стандартного уплотнения

При устройстве искусственно улучшенных оснований и насыпей плотность скелета грунта обычно задается в долях единицы; за единицу принимается ρ_d,opt. Иногда для пылевато-глинистых грунтов в качестве оптимальной приближенно принимается влажность на границе раскатывания.