Основные характеристики грунта, определяющие его свойства

 

В данном разделе содержатся теоретические обобщения сведений о свойствах грунтов, приведенных в курсе "Инженерные изыскания в строительстве". Различают физические, прочностные и деформационные характеристики грунта. Физические характеристики подразделяются на основные, производные и классификационные. Основными являются характеристики, определяемые из опыта. Остальные физические характеристики являются расчетными. Введем следующие условные обозначения физических величин: показанные на рис. 1.2;ρ _w, γ _w – плотность и удельный вес воды; g – ускорение свободного падения.

Вода

V

w

, G

w

Минеральные

частицы

грунта

V

s

, G

s

V

n

Газ

  Рис. 1.2. Модель грунта: V – объем образца грунта; V_s – объем минеральных частиц грунта в объеме V; V_n – объем пор в объеме V; V_w – объем воды в порах;

G – масса образца грунта; G^s –

V масса частиц грунта (скелета); G_w – G масса содержащейся в порах воды; G_{w ,} р – то же в заданном состоянии грунта на границе пластичности (раскатывания); G_{w , L} – то же в заданном состоянии грунта на границе текучести.

Данные о свойствах грунтов для наглядности представим в табличной форме.

Таблица 1.1. Основные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность грунта	ρ	кг/м^3	ρ = G / V
Удельный вес грунта	γ	кН/м^3	γ = ρ⋅ g
Плотность частиц грунта	ρ s	кг/м^3	ρ s = Gs / Vs
Удельный вес частиц грунта	γ s	кН/м^3	γ s = ρ s ⋅ g
Влажность грунта	W	безразмерна	W = (G – Gs) / Gs = Gw / Gs
Влажность на границе пластичности	Wp	безразмерна	W p  = G w,p / G s
Влажность на границе текучести	WL	безразмерна	WL = Gw,L / Gs

Таблица 1.2. Производные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность сухого грунта	ρ d	кг/м^3	ρ d = Gs / V = ρ/ (1+W)
Удельный вес сухого грунта	γ d	кг/м^3	γ d = ρ d ⋅ g = γ/ (1+W)
Коэффициент пористости	e	безразмерна	e = Vn / Vs = ( ρ s - ρ d) /ρ d = ρ s /ρ d - 1
Пористость	n	безразмерна	n = Vn / V = ( ρ s - ρ d) /ρ s = 1 - ρ d /ρ s

Таблица 1.3. Классификационные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Число пластичности	I p	безразмерна	Ip = WL - Wp
Показатель текучести	I L	безразмерна	IL = (W - Wp) / (WL - Wp) = = (W - Wp) / Ip
Степень влажности	Sr	безразмерна	Sr = Vw / Vn = ( ρ s /ρ w) ⋅ (W / e)
Полная влагоемкость	W sat	безразмерна	Wsat = ( ρ w /ρ s) ⋅ e (соответствует Sr = 1)

 

Приведенные в таблицах формулы для вычисления производных и классификационных физических характеристик грунта получены в результате преобразования выражений, являющихся определениями этих характеристик:

                                                         (1.1)

    (1.2)

     (1.3)

                     (1.4)

Разделение физических характеристик грунта на производные и классификационные весьма условно, так как и те и другие одновременно являются и производными и классификационными. По величине плотности сухого грунта можно делать предварительные выводы о пригодности данного грунта для целей строительства. Грунты с плотностью сухого грунта в пределах 1100–1300 кг/м³, как правило, являются непригодными для целей строительства. Прочным грунтам соответствует плотность в сухом состоянии в пределах 1600–1800 кг/м³. 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. По числу пластичности устанавливают вид пылевато-глинистого грунта:

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

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

          0,0 0,01                  0,07                                  0,17                          I_P

супесь

глина

суглинок

 

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

      0            W P                                                                                                                    W L                W

Твердый

Текучий

Твердо

пластичный

Туго

пластичный

Мягко

пластичный

Текуче

пластичный

0

,00

<

0

,25

0

,50

0

,75

0

,00

1

I

L

 

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.

Закон уплотнения Терцаги

Закон уплотнения является одним из основных законов механики грунтов, основанным на допущении о том, что деформации грунта происходят, в основном, за счет изменения его пористости. В качестве предварительных замечаний отметим следующее. Грунт существенно отличается от таких строительных материалов как сталь, бетон и т.п. Крупнообломочные и песчаные грунты не обладают связностью. Связные пылевато-глинистые грунты имеют очень низкую прочность при одноосном сжатии. Все это создает большие проблемы при экспериментальном определении прочностных и деформационных характеристик грунтов. Поскольку не представляется возможным испытать грунт при одноосном напряженном состоянии (растяжение, сжатие), как это принято для большинства строительных материалов, для испытания грунтов используют схемы со сложным напряженным состоянием (см. курс "Инженерные изыскания в строительстве"). Одной из таких схем является схема осесимметричного компрессионного сжатия (рис. 1.3). Граничными условиями в такой схеме являются нулевые значения поперечных деформаций. Возникающие на боковых поверхностях цилиндрического образца давления не измеряются, а оцениваются теоретически. При этом касательные напряжения на этих поверхностях предполагаются равными нулю, в связи с чем вертикальное и боковое давления – суть главные напряжения. Ниже приводятся теоретические выкладки, связанные с приложениями закона уплотнения Терцаги, простейший вид которого уже рассматривался в курсе "Инженерные изыскания в строительстве".

Рис. 1.3. Напряженное состояние грунта в виде осесимметричного компрессионного сжатия:

Цилиндрический образец

Грунта;

2 – жесткое кольцо с безфрикционной внутренней поверхностью; р – вертикальное давление; р W – давление в поровой воде; А g – площадь поперечного сечения грунта;

h ₀, h_i – соответственно высота ненагруженного и нагруженного образца грунта;

s x, s y, s z, t zx, t zy –