ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ. СКЕЛЬНІ ҐРУНТИ

1.1   Определение плотности грунтов

.

Плотность – это отношение массы грунта к его объему. Измеряется в г/см³. Различают плотность частиц грунта, плотность грунта в естественном состоянии и плотность сухого грунта (скелета грунта).

Плотность частиц грунта равняется отношению массы минеральной части грунта к ее объему

, г/см³                                      (1)

ρ_s – плотность частиц грунта, г/см³;

m_s – масса минеральной части грунта, г;

V_s – объем минеральной части грунта, см³.

            Плотность грунта в естественном состоянии равняется отношению массы грунта, состоящего из минеральных частиц, воды и воздуха, к его объему

, г/см³                                      (2)

ρ – плотность частиц грунта в естественном состоянии, г/см³;

m – масса грунта в природном состоянии, г;

V – объем грунта, см³.

Плотность сухого грунта (скелета грунта) – это отношение массы сухого грунта к его объему

, г/см³                                        (3)

ρ_d – плотность сухого грунта, г/см³;

m_d – масса высушенного грунта, г;

V – объем грунта, см³.

Плотность сухого грунта можно определить зная его природную влажность

, г/см³                                       (4)

W – естественная влажность в долях единицы.

Плотность грунта определяется его пористостью. Различают абсолютную пористость и коэффициент пористости.

Абсолютная пористость – это отношение объема пор к объему грунта в %

                               (5)

n – абсолютная пористость, %.

Коэффициент пористости – это степень пористости грунта или отношение объема пор к объему минеральной части грунта

                                            (6)

e – коэффициент пористости в долях единицы.

Для пересчета пористости и коэффициента пористости используются формулы:

                                         (7)

                                            (8)

 n – абсолютная пористость, в долях единицы

Коэффициент пористости положен в основу классификации грунтов по плотности.

Таблица 1

1.2   Определение влажности грунта.

            Различают естественную влажность грунта, полную влагоемкость и степень влажности.

Естественная влажность – это количество воды, которая содержится в порах грунта в его природном состоянии и характеризуется отношением массы воды к массе сухого грунта. Измеряется в долях единицы.

                                       (9)

W – естественная влажность;

m_в – масса воды, г;

m_d – масса сухого грунта, г.

Полная влагоемкость – это влажность, при которой все поры заполнены водой.

                                (10)

W_n – полная влагоемкость в долях единицы;

е – коэффициент пористости грунта;

ρ_s – плотность частиц грунта, г/см³.

Степень влажности – это степень заполнения пор водой или относительная влажность

                                 (11)

S_r – степень влажности в долях единицы;

W – естественная влажность, доли единицы;

ρ_s – плотность частиц грунта, г/см³;

е – коэффициент пористости, доли единицы;

ρ_в – плотность воды, г/см³ (условно принимаем ρ_в = 1 г/см³).

            Классификация грунтов по степени влажности S_r

Таблица 2

1.3   Определение пластичности грунтов

            Пластичность – классификационный признак глинистых грунтов.

Пластичность – это способность глинистых грунтов в присутствии влаги под действием внешних усилий менять свою форму без разрыва сплошности. Пластичность проявляется в пределах влажности, характеризующейся верхним и нижним пределом пластичности.

            Верхний предел пластичности W_L – это влажность, при которой глинистый грунт переходит из пластичного состояния в текучее.

            Нижний предел пластичности W_p – это влажность, при которой глинистый грунт переходит из пластичного состояния в полутвердое или твердое.

            Чем больше глинистых частиц в грунте, тем больше разница между верхним и нижним пределом пластичности, т.е. число пластичности I_p.

                                        (12)

I_p – число пластичности, доли единицы;

W_L – верхний предел пластичности, доли единицы;

W_p – нижний предел пластичности, доли единицы.

Эта особенность положена в основу классификации глинистых грунтов по числу пластичности I_p:

Супеси –        0,01 – 0,07

Суглинки -    0,07 – 0,17

Глины -          >0,17

            Текучесть грунта (консистенция) – это степень пластичности или текучести грунта, зависящий от глинистости грунта и его природной влажности.

                                   или                           (13)

I_L – показатель текучести (консистенция), доли единицы;

I_p – число пластичности, доли единицы;

W_L – верхний предел пластичности, доли единицы;

W_p – нижний предел пластичности, доли единицы;

W – естественная влажность, доли единицы.

Классификация грунтов по показателю текучести I_L (консистенция).

                                                                                              Таблица 3

Влагоемкость. Под влагоемкостью породы понимают ее способность вмещать и удерживать определенное количество воды.

Породы бывают влагоемкие (глины, суглинки), средневлагоемкие (супеси, пески мелко- и тонкозернистые, пылеватые) и невлагоемкие (пески средне-, крупно- и грубозернистые, гравелистые и щебнистые породы, а также галечники).

У влагоемких пород различают влагоемкость полную, капиллярную и молекулярную. При полной влагоемкости все поры заполнены водой. Капиллярной влагоемкости соответствует насыщение водой только капиллярных пор. Под молекулярной влагоемкостью понимают способность горных пород удерживать физически связанную воду, которая находится на поверхности частиц горной породы в виде гидратных оболочек. Максимальное количество физически связанной воды образует максимальную молекулярную влагоемкость. При влажности породы равной максимальной молекулярной влагоемкости резко изменяются физико-механические свойства глин. Для многих разновидностей глин максимальная молекулярная влагоемкость соответствует влажности на пределе пластичности.

Водоотдача. Способность горных пород отдавать свободно стекающую воду называется водоотдачей. Такой способностью обладают только невлагоемкие или слабовлагоемкие породы. Водоотдача породпримерно равна разности между полной их влагоемкостью и максимальной молекулярной.

Для количественной характеристики водоотдачи служит также коэффициент водоотдачи (μв), равный отношению объема стекающей воды к объему породы, выраженной в долях единицы. Характеристика водоотдачи пород имеет большое практическое значение. От водоотдачи зависят эксплуатационные запасы подземных вод, притоки воды в горные выработки и возможность их осушения.

Водопроницаемость. Способность горных пород пропускать через себя воду под действием напора называется водопроницаемостью.

Водопроницаемость пород зависит от пористости, скважности, действующих напоров, вязкости воды, гранулометрического состава и его однородности.

Движение воды, а также других жидкостей и газов через пористые горные породы, когда все поры запомнены водой, называется фильтрацией. Различают породы водопроницаемые (галечник, гравий, песок, трещиноватые породы и др.), полуводопроницаемые (глинистый песок, супесь, суглинок, лесс и др.) и приктически водонепроницаемые (глина, тяжелый суглинок, кристаллические и осадочные нетрещиноватые породы).

На водопроницаемость большое влияние оказывает степень однородности их гранулометрического состава, а также примеси глинистых частиц и хорошо разложившейся органики. Кроме того, водопроницаемость изменяется при их уплотнении под влиянием давления вышележащих масс горных пород или сооружений, при растворении и выщелачивании солей, содержащихся в них (карст), при увеличении гидродинамического давления (суффозия). Некоторые глинистые породы в отношении водопроницаемости характеризуются ярко выраженной анизотропностью.

Мерой водопроницаемости горных пород служит коэффициент фильтрации, который прямо пропорционален напорному градиенту. При градиенте, равном единице, коэффициент фильтрации равен скорости потока:

V= Kф*i ,

где V – скорость потока, см/сут, м/сут, и т.д.; Кф – коэффициент фильтрации, см/сек, м/сут, и т.д.; i – напорный градиент.

Для характеристики проницаемости пород используется также коэффициент проницаемости (Кп) и удельное водопоглощение (W). Эти коэффициенты связаны между собой следующей зависимостью:

Кп =Кф* (γ_в/η) ,

где Кф – коэффициент фильтрации, см/с; γв – удельный вес воды, г/см3; Кп – коэффициент проницаемости, мД; η – вязкость жидкости, Па·с.

Удельное водопоглощение примерно равно 0,53 Кф.

Липкость, набухание, размокаемость, водонасыщение.

1.4   Определение гранулометрического состава.

            Под гранулометрическим составом понимают относительное содержание в грунте фракций различного размера, выраженное в процентах к массе абсолютно сухого грунта.

            Гранулометрический состав положен в основу классификации крупнообломочных и песчаных грунтов.

Таблица 4

Скальные и полускальные породы. Физические свойства скальных и полускальных пород характеризуются удельным весом, объемным весом, пористостью, а для полускальных пород и влажностью.

Удельным весом горной породы называют вес единицы объема ее твердой части – скелета. Численно удельный вес γ_у равен отношению веса твердой части породы g₁ к ее объему V₁: γ_у = g₁ / V₁

Единицей измерения удельного веса служит грамм-сила на кубический сантиметр Г/см³. Удельный вес горной породы с допустимой для практических целей точностью численно равен плотности ее скелета. Плотность горной породы есть ее масса в единице объема г/см³.

Объемный вес породы (γ) – это вес единицы объема горной породы естественного сложения и влажности, численно равен отношению веса породы (g1+g2) к ее объему (V1+V2):  γ = (g1+g2) / (V1+V2):

Водные свойства скальных и полускальных пород характеризуют их поведение при взаимодействии с водой и оцениваются водоустойчивостью, влагоемкостью и водопроницаемостью. Два последних свойства были охарактеризованы в главе 1.2.1, остановимся подробнее на водоустойчивости. Водоустойчивость скальных и полускальных пород характеризуется размягчаемостью.

Размягчаемость оценивают коэффициентом размягчаемости Kр, численно равным отношению временного сопротивления сжатию образца породы после насыщения водой Rсж.в к временному сопротивлению сжатию до насыщения водой.