ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Физические свойства грунтов.Инженерно-геологические свой­ства горных пород являются весьма емким понятием, охватываю­щим их физические, водно-физические и механические свойства. Определение этих свойств, назначение их расчетных значений при проектировании оснований и фундаментов различных соору­жений, прогноз их изменений во времени и являются основной конечной целью грунтоведения. При определении параметров свойств грунтов возникают конкретные задачи, решаемые раз­личными способами и методами грунтоведческих исследований, для которых разработаны конкретные методики, приборы и обо­рудование.

Физические свойства горных пород естественно охватывают все их генетические классы от магматических и метаморфических до обломочных и тонкодисперсных осадочных. Однако в связи с тем, что в строительной практике чаще всего приходится иметь 170


дело с рыхлыми дисперсными породами, а также в связи с тем, что эти породы обладают значительной изменчивостью свойств, рассмотрение характеристик свойств грунтов мы будем проводить в основном для этих грунтов.

Отметим вначале наиболее характерные физические свойства горных пород, согласно ГОСТ 25100—95. К числу наиболее важ­ных характеристик относятся плотность и пористость породы.

Плотность грунта — это отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, к занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава, влаж­ности и характера сложения (пористости)

Р = т/У,

где р — плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3; т — масса породы с естественной влажностью и сложением, г; V—объем, занимае­мый породой, см3.

Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухо­го грунта, исключая массу воды в его порах, к объему твердой части этого грунта:

р5 = (т-тв)/УТ,

где р5 —плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3; тв — масса воды в порах грунта, г; УТ — объем твердой части грунта, см3.

Плотность частиц грунта изменяется для всех горных пород в небольших пределах от 2,61 до 2,75 г/см3 и для каждой генетиче­ской разности породы определяется только ее минералогическим составом.

Удельный вес грунта характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим фунтом объ­ему, включая поры, и может быть рассчитан следующим образом:

где у — удельный вес грунта, Н/м3; # —ускорение свободного па­дения, равное 9,81 м/с2.

Плотность скелета породы, или плотность сухого грунта, представляет собой отношение массы минеральных частиц поро­ды (твердой части грунта) при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к занимаемому этой породой объему:

Ра = (т-тв)/У,


где р^—плотность скелета породы (плотность сухого грунта), г/см3, кг/см3, т/м3; т—тв =-гп — масса сухого грунта, г; V—объ­ем, занимаемый породой, см3.

Плотность скелета породы — величина более постоянная по сравнению с плотностью породы и обычно вычисляется по дан­ным определений плотности и влажности по формуле

где р — плотность породы, г/см3; ра — плотность скелета породы, г/см3; IV— влажность породы, %.

Удельный вес частиц грунта характеризует отношение веса су­хого грунта к объему его твердой части и может быть рассчитан следующим образом:

У, = У$ &

где у5 — удельный вес частиц фунта, Н/м3, кН/м3, МН/м3.

Удельный вес сухого грунта характеризует отношение веса су­хого грунта ко всему занимаемому этим фунтом объему и может быть рассчитан следующим образом:

где у а — удельный вес сухого фунта, Н/м3.

Физические значения плотности применяют для характери­стики физических свойств горной породы фунта основания или строительного материала, а также в динамических расчетах осно­ваний.

Физические значения удельного веса используют непосредст­венно в остальных расчетах оснований, в частности при опреде­лении природного давления, при расчете осадки.

Пористость пород представляет собой характеристику пустот или свободных промежутков между минеральными частицами, составляющими породу.

Пористость обычно выражают в виде процентного отношения объема пустот к общему объему породы:

где УПобъем пустот породы, см3; V— объем, занимаемый по­родой, см3.

Кроме того, пористость можно выразить через значение плот­ности фунта:


л = (1-рУр,)100.

Приведенной пористостью, или коэффициентом пористости, называют отношение объема пустот (пор) к объему твердых ми­неральных частиц породы. Коэффициент пористости выражается в долях единицы по формулам:

е=Уп/К, е=п/ - п или е = (р5

Водно-физические свойства грунтов. Влажностью породы IV на­зывают отношение массы воды, содержащейся в порах породы, к массе сухой породы (высушивание образца должно производить­ся в термошкафу при ?= 105...107 "С в течение 8 ч и более).

Влажность породы, кроме того что она является физическим свойством породы, служит важнейшей характеристикой ее физи­ческого состояния, определяющей прочность, деформируемость и другие свойства при использовании в инженерных целях.

Под естественной (весовой) влажностью породы IV, %, пони­мается количество воды, содержащееся в породе в естественных условиях:

№= [(т - ет,)Ал,]Ю0,

где т — масса породы вместе с содержащейся в ней водой, г; /я, — масса высушенной породы, г.

Максимально возможное содержание в грунте связанной, ка­пиллярной, гравитационной воды при полном заполнении пор на­зывают полной влагоемкостью породы и определяют по формулам:

НП = п/р<] или П = ер„/р5.

Под гигроскопической влажностью 1УТ понимают влажность воздушно-сухого фунта. Степенью влажности, или относительной влажностью, называют степень заполнения пор грунта водой и характеризуется отношением объема воды к объему пор грунта:

& = Щ* (Ю0 - п)/п или 5Г = Щ5/ерт

где 5Г — степень влажности породы, %; IV— естественная влаж­ность породы, %; р5 —плотность частиц породы, г/см3; п —пори­стость^; рж—плотность воды, г/см3; е — коэффициент порис­тости.


По степени водонасыщенности все рыхлые породы подразде­ляют на четыре основные группы (по величине 5Г): су­хие — 0—0,2; слабовлажные — 0,2—0,4; влажные — 0,4—0,8; насы­щенные водой — 0,8—1,0.

Максимальная молекулярная влагоемкость характеризует содер­жание прочносвязанной, рыхлосвязанной воды и воды ближней гидратации, т. е. влажность фунта при максимальной толщине пленок связанной воды вокруг минеральных частиц ММ.В. Ее определяют центрифугированием для глинистых грунтов, а для песчаных и супесчаных грунтов — способом высоких колонн.

Пластичность — способность породы изменять под действием внешних сил (давления) свою форму, т. е. деформироваться без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после того как действие внешней силы прекратилось, — является характери­стикой, во многом определяющей деформируемость.

Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит от их консистенции (относительной влажности). Для то­го чтобы выразить в численных показателях пределы влажности породы, при которой она обладает пластичностью, введены по­нятия о нижнем и верхнем пределах пластичности.

Нижним пределом пластичности №р, или границей раскатыва­ния, называют такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, замешанная на дистиллированной во­де, при раскатывании ее в жгутик диаметром 3 мм начинает кро­шиться вследствие потери пластических свойств, т. е. такая влаж­ность, при которой связный фунт переходит из твердого состояния в пластичное.

Верхний предел пластичности Щ, или граница текучести, пред­ставляет собой такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, положенная в фарфоровую чашку и разрезанная глубокой бороздой, сливается после трех легких тол­чков чашки ладонью. При большей степени влажности глинистая масса течет без встряхивания или при одном-двух толчках, т. е. такая степень влажности, при которой связный грунт переходит из пластичного состояния в текучее.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности получила название числа пластичности, /р, %:

/р = Ж, - Щ.

По числу пластичности /р выделяют породы четырех типов: 1) высоко пластичные (глины) — 17 %; 2) пластичные (суглин­ки) — 17...7 %; 3) слабопластичные (супеси) — 7 %; 4) непластич­ные (пески) — 0.


Консистенция /, или показатель текучести, — это характери­стика состояния грунта нарушенной структуры: