9.2 Фізичні характеристики грунтів

Фізичні та механічні характеристики ґрунтів дають кількісне уявлення про властивості, які необхідні для розрахунків стану і прогнозу поведінки ґрунтів під навантаженням в тих чи інших умовах. Фізичні характеристики дають уявлення про стан ґрунтів у природі, а механічні - про їхню поведінку під навантаженням.

Фізичні характеристики властивостей ґрунтів поділяють на дві групи:

- основні, які визначаються дослідним шляхом на основі лабораторних або польових дослідів;

- розрахункові, які визначаються розрахунком на основі перших.

Дослідним шляхом визначаються: питома вага часточок ґрунту, питома вага ґрунту, вологість, границі пластичності, коефіцієнт фільтрації. Усі інші характеристики визначаються розрахунком. Основні відомості про фізичні характеристики ґрунтів наведені в табл. 9.1, де для основних характеристик прийняті такі умовні позначення: G - вага ґрунту, G_s- вага твердих часточок, G_w - вага води, V - об'єм ґрунту, V_s - об'єм твердих часточок, І - напірний градієнт, Q - витрата води, А - площа поперечного перерізу ґрунту.

Таблиця 9.1 - Основні відомості про фізичні характеристики ґрунтів

Назва	Визначення	Умовні позна-чення	Формула підрахунку	Одиниця виміру	Межі зміню-вання
1	2	3	4	5	6
Питома вага	Вага одиниці об'єму ґрунту в природному стані (з урахуванням пор і заповнення їх водою)			кН/м^3	15-21
Питома вага частинок ґрунту	Вага одиниці об'єму ґрунту в абсолютно щільному стані (або питома вага мінеральних часточок)			кН/м^3	25-28
Вологість	Вміст води в ґрунті в долях одиниці від ваги мінеральної частини	w		Долі одиниці	0-5,0

Продовження таблиці 9.1

1	2	3	4		5		6
Вологість на границі пластично-сті	Вологість, при якій грунт переходить із твердого стану в пластичний	wp				Долі одиниці		0,09-0,90
Вологість на границі текучості	Вологість, при якій грунт переходить із пластичного стану в текучий	wL				Долі одиниці		0,15-5,0
Коефіцієнт фільтрації	Швидкість фільтрації води в ґрунті при напірному градієнті, який дорівнює одиниці					м/добу		0-1000
Число пластично-сті	Діапазон вологості, в якому грунт знаходиться в пла-стичному стані					Долі одиниці		0-4,0
Показник текучості	Характеристика при-родного стану ґрунту за пластичністю				Долі одиниці		-
Питома вага сухого ґрунту	Вага одиниці об'єму ґрунту у висушеному стані				кН/м^3		12,18
Пористість	Доля, яку складає об'єм пор від загаль-ного об'єму				Долі одиниці		0-0,80
Коефіцієнт пористості	Доля, яку складає об'єм пор від об'єму мінеральної частини ґрунту				Долі одиниці		0-1,5
Ступінь вологості	Відношення природ-ної вологості до воло-гості повної волого-ємності (ступінь за-повнення пор водою)				Долі одиниці		0-1
Показник неоднорiд-ностi грануло-метричного складу	Співвідношення діа-метру часточок, менше яких у грунті міс-титься відповідно 60 та 10 % (за массою) часточок	Си			Долі одиниці		1-15
Ступінь щільності пісків	Характеристика при-родного ступіню щі-льності відносно гра-ничнощільного і гра-ничнопухкого станів	ІD			Долі одиниці		0-1

Продовження таблиці 9.1

1	2		3		4		5		6
Питома вага ґрунту, виваженого водою	Вага одиниці об'єму ґрунту у виваженому стані					кН/м^3		7-12

Питома вага ґрунтів визначається для зразків непорушеної структури із збереженням природної вологості. У лабораторних умовах питому вагу визначають двома методами: методом ріжучого кільця і методом парафінування. Вагу зразка ґрунту у будь-якому випадку визначають зважуванням, а при визначенні його об'єму виникають складнощі, пов'язані з природною структурою і станом. При використанні методу ріжучого кільця кільце певного внутрішнього об'єму з ріжучим краєм удавлюється в грунт. Область застосування цього методу обмежується ґрунтами, для яких можна відібрати пробу непорушеної структури: це вологі піски та пластичні глинисті ґрунти.

У методі парафінування об'єм зразка визначається зануренням запарафінованого ґрунту у воду. Парафінування запобігає розмоканню і проникненню води у пори. Грунт повинен бути здатним зберегти при відборі зразка певну форму. Це в основному глинисті ґрунти, за виключенням тих, що знаходяться в стані, близькому до текучого.

У випадках неможливості відбору зразка непорушеної структури (ґрунти у текучому стані, пухкі маловологі піски тощо) для визначення питомої ваги використовують польові методи: статичне або динамічне зондування, радіоізотопні методи.

Питому вагу часточок ґрунту визначають за допомогою пікнометра. Вагу часточок визначають зважуванням висушеного зразка, а об'єм - різницею між сумою ваги пікнометра, заповненого водою до риски на шийці, та проби ґрунту, з одного боку, і ваги того ж пікнометра, заповненого водою до тієї ж риски, але з розміщенням зразка ґрунту в середині пікнометра, з другого боку. Витиснення повітря із зразка, необхідне для запобігання зменшення питомої ваги, досягається попереднім тривалим кип'ятінням ґрунту в пікнометрі.

Вологість визначається як відношення ваги води в ґрунті до ваги висушеного ґрунту. Тому, як правило, вологість визначають ваговим методом. При цьому зразки ґрунту висушують у сушильних шафах при постійній температурі близько 105°С і протягом тривалого часу (до постійної ваги, що визначається повторним зважуванням). При меншій температурі не може бути досягнуте повне вилучення води із зразка, при більшій - виникає небезпека появи помилок, пов’язаних з можливістю згорання деякої частини породи, зокрема, органічних речовин.

Крім вагового методу в лабораторних умовах для визначення вологості може застосовуватись пікнометричний та бензометод (для ґрунтів, що розчиняються у воді). У польових умовах застосовують спирто-бензометод, радіоактивні або електрометричні методи.

Пластичність властива тільки глинистим ґрунтам завдяки здатності глинистих частинок утримувати воду біля своєї поверхні. Виділяють такі стани за пластичністю (консистенцією): твердий, пластичний і текучий, їх можна досягти штучно, змінюючи вологість ґрунтової пасти.

Вагові вологості, відповідні до переходу ґрунту з одного стану в інший, називаються границями пластичності.

Вологість на границі пластичності називають ще нижньою межею пластичності, а вологість на границі текучості - верхньою межею пластичності.

Вологість на границі пластичності (розкочування) визначають у лабораторії як вологість, при якій джгути товщиною 3 мм, приготовлені стандартним способом з ґрунту розкочуванням, починають розпадатись на відрізки довжиною 3 – 10 мм.

Вологість на границі текучості визначають як вологість, при якій стандартний балансирний конус (масою 76 г з кутом при вершині 30⁰) за 5 секунд під дією власної ваги занурюється в масу ґрунту на 10 мм.

Характеристики пластичності дозволяють судити про ступінь глинистості (процентний вміст глинистих частинок) та природний стан ґрунту за пластичністю.

У табл. 9.2 наведена класифікація глинистих ґрунтів, а на рис.9.1 - залежність границь пластичності від процентного вмісту глинистих частинок.

Таблиця 9.2 - Класифікація глинистих ґрунтів

Назва ґрунту	Вміст  глинистих частинок (дрібніші 0,005 мм), % за вагою
Глина важка (жирна)	більше 60
Глина	60-30
Суглинок важкий	30-20
Суглинок середній	20-15
Суглинок легкий	15-10
Супісок важкий	10-6
Cупісок легкий	6-3
Пісок	менше 3

Як видно з рисунка, із зростанням частки глинистих частинок зростає діапазон, в якому грунт знаходиться в пластичному стані. У зв'язку з цим число пластичності застосовується для класифікації ґрунтів за ступенем глинистості:

Супіски                         0,01 І_р  0,07

Суглинки                      0,07 < І_р  0,17

Глини                                     І_р > 0,17

Рисунок 9.1 - Залежність границь пластичності від процентного вмісту глинистих частинок

Згідно з визначенням границь пластичності грунт знаходиться в твердому стані, якщо w < w_P, у текучому стані, якщо w > w_L і в пластичному стані, якщо w < w_P < w_L. Для кількісної оцінки природного стану ґрунту за пластичністю застосовується така характеристика, як показник текучості I_L (див. табл. 9.1). Згідно з формулою підрахунку для твердих ґрунтів I_L < 0, для текучих I_L > 1 і для ґрунтів у пластичному стані 0 I_L 1.