Какие факторы влияют на плотность грунта

Обновлено: 05.10.2024

Физические свойства грунтов являются характеристиками, которые описывают физическое состояние того или иного грунта, а также его способность к изменению своего состояния под воздействием различных физико-химических факторов.

Для точного определения наименования грунта и его основных характеристик, необходимых для принятия проектных решений в строительстве, обязательно определение физических характеристик лабораторным путем.

Границы текучести и раската;

Плотность минеральных частиц;

Содержание органического вещества;

Степень разложения (для торфов);

Максимальная плотность и оптимальная влажность.

Влажность

Природная влажность грунта — это количество воды, содержащееся в порах грунта в условиях естественного залегания. От природной влажности грунта зависит его несущая способность и при повышенной влажности грунт может снижать свои прочностные характеристики в несколько раз. Пониженная влажность грунта так же является неблагоприятным свойством, так как грунты с низкой влажностью предрасположены к просадочности.

В лабораторных условиях природная влажность определяется путем высушивания грунта до постоянного веса при температуре 105° С. Для определения влажности необходимо следующее оборудования: сушильный шкаф, весы, алюминиевые или стеклянные бюксы, эксикатор с хлористым кальцием.

Плотность

Одной из основных характеристик грунта является плотность. Для того, чтобы в лабораторных условиях определить плотность грунта необходимо вычислить отношение массы вещества к его объему. Плотность зависит от минерального состава, пористости и влажности.

Плотность грунта определяется путем отбора проб грунта ненарушенного сложения и последующего анализа в лабораторных условиях. Для большинства грунтов используется самый простой способ определения плотности – метод режущего кольца. При определении плотности данным методом необходимы следующие приборы и оборудование: режущее кольцо, нож, пластинки с гладкой поверхностью (из стекла, металла и т.д.) и лабораторные весы.

Кроме метода режущего кольца для определения плотности так же применяют метод парафинирования. Объем образца грунта методом парафинирования определяется по закону Архимеда вес тела погруженного в воду уменьшается на величину, равную массе жидкости вытесненной телом.

Плотность скального грунта определяется методом непосредственных измерений, если из него можно вырезать (выпилить) образец правильной геометрической формы.

Границы текучести и раската

Кроме природной влажности грунтов при принятии проектных решений важно знать влажность грунта на границе текучести и раската. Влажность на верхней границе пластичности называется границей текучести и характеризует переход грунта из пластичного в текучее состояние, т.е. показатель текучести изменяется с изменением содержания в конкретном грунте воды. Эту влажность условно определяют как влажность такого состояния грунта, при которой балансирный конус (конус Васильева) погружается под действием собственной массы за 5 с на глубину 10 мм.

Влажность на нижней границе пластичности называется границей раскатывания. При этой влажности происходит потеря пластичности грунта. Граница раскатывания характеризуется весовой влажностью грунта, при незначительном уменьшении которой пластичное тесто, приготовленное из грунта и воды, при раскатывании в жгут толщиной 3 мм начинает распадаться на кусочки длиной 3-10 мм.

Данный вид испытания помогает определить целый ряд инженерно-геологических свойств глинистых горных пород.

Плотность минеральных частиц

Плотность минеральных частиц – отношение массы твердых частиц к их объему.

Для определения плотности минеральных частиц используется стеклянный сосуд определённой формы и известным объёмом – пикнометр, а также дополнительные инструменты – эксикатор, ступка с пестиком, термометр, сушильный шкаф, бюксы и песчаная баня. Результаты исследования заносятся в журнал и проводятся вычисления необходимого показателя – плотности минеральных частиц грунта. Чаще всего пикнометр используется для определения плотности твёрдых веществ, либо очень вязких жидкостей, для которых измерение плотности другими средствами измерения не представляется возможным. Данный метод очень прост, но для уменьшения погрешности испытания необходимо проводить с использованием высокоточных весов.

Плотность минеральных частиц грунта является важным качественным показателем для определения нормативных значений прочностных и деформационных характеристик, которые, в свою очередь, позволяют оценить несущую способность грунтов, и возможность их дальнейшего использования в качестве оснований фундаментов.

Гранулометрический состав

Гранулометрическим составом грунта называется содержание в нем частиц различной величины, выраженное в процентах к весу абсолютно сухого образца. Гранулометрический состав является основной характеристикой грунта, от которой зависят другие физические характеристики: плотность, влажность, пористость и коэффициент фильтрации. В условиях лаборатории проводить исследования грунта на гранулометрический состав возможно следующими способами: ситовой (разделение частиц грунта по размеру частиц путем просеивания его через набор сит с отверстиями разного диаметра), ареометрический (измерение плотности отстаиваемой суспензии ареометром через определенные промежутки времени) и пипеточный (основан на учете скорости падения частиц в спокойной воде). Ситовой способ используется на песчаных грунтах, а пипеточный и ареометрический способы – на глинистых.

Содержание органического вещества

Относительное содержание органического вещества - это отношение массы органического вещества к массе абсолютно сухого грунта. Присутствие органического вещества в горных породах и почвах в виде гумуса всегда повышает их дисперсность и влияет на свойства грунтов таких, как влагоемкость, воздухопроницаемость и плотность. Для определения содержания органических веществ в грунте надлежит установить раздельно количество растительных остатков и гумуса. Большинство грунтов с органическими включениями являются более слабыми и сжимаемыми, чем грунты с тем же минералогическим составом, но без органических примесей, поэтому необходимо правильно определять наличие органических веществ, которые обусловливают прочность и устойчивость грунтов при их взаимодействии со строительными объектами.

Степень разложения торфов

Степенью разложения грунта называется соотношение между количеством гумуса и неразложившегося органического волокна (%).

На основании учета степени разложения, торфы подразделяются на слаборазложившиеся (степень разложения R=5-20%), среднеразложившиеся (R=20-30%), хорошо разложившиеся (R=30-40%) и сильноразложившиеся (R>40%).

Определение степени разложения торфа в лабораторных условиях производится микроскопическим способом и центрифугированием, основанным на разделе гумусовой и волокнистой фракций торфа при вращении в центрифуге с последующим взвешиванием или определением степени разложения с помощью графика.

Степень разложения грунтов является одним из важнейших свойств, которое необходимо учитывать при строительстве.

Коэффициент фильтрации

Коэффициент фильтрации – это величина, характеризующая водопропускную способность грунтов. Единицей измерения при этом является количество метров в сутки. Расчет ведется с учетом гидравлического градиента, равного единице.

Лабораторные исследования грунтов на коэффициент фильтрации проводятся при помощи компрессионно-фильтрационного прибора. Кроме этого для проведения испытания необходимы следующие оборудования: термометр с погрешностью измерения не более 0,5 °С секундомер; нож из нержавеющей стали с прямым лезвием; лопатка; пресс винтовой; пластины плоские с гладкой поверхностью (из стекла, плексигласа или металла).

Коэффициент выветрелости

На прочностные показатели скальных и полускальных грунтов большое влияние оказывает коэффициент выветрелости . Коэффициент выветрелости - отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта. По степени выветрелости грунты делят на сильновыветрелые, слабовыветрелые и невыветрелые.

Коэффициент выветрелости в лабораторных условиях определяют с помощью следующих приборов: полочный барабан со скоростью вращения 50-70 об/мин, сито с сеткой № 2 по ГОСТ 6613-86 с поддоном, весы лабораторные.

Максимальная плотность и оптимальная влажность

При проектировании и строительстве земляных сооружений из песчаных и глинистых пород необходимо обеспечить наибольшую их устойчивость и прочность. Это достигается уплотнением пород до максимальной плотности при оптимальной влажности. Одним из основных критериев качества выполнения подготовительных работ на строительных участках служит коэффициент уплотнения грунта.

Максимальная плотность (стандартная плотность) - наибольшая плотность сухого грунта, которая достигается при испытании грунта методом стандартного уплотнения.

Оптимальная влажность - значение влажности грунта, соответствующее максимальной плотности сухого грунта.

Коэффициент уплотнения грунта - это безразмерный показатель, исчисляющийся как отношение плотности грунта к его максимальной плотности.

Стандартное уплотнение грунта в лабораторных условиях производят на приборе СоюздорНИИ по ГОСТ 22733-2016.

Определение плотности грунтов Плотность - это физическое свойство грунта , оцениваемое отношением его массы к объему. Она выражается в килограммах на кубический сантиметр (кг/см3). Следует отличать плотность от удельного веса. Удельный вес - это отношение веса тела к его объему и измеряется в Ньютонах на метр в кубе (Н/м3).

Плотность зависит от минерального состава, пористости и влажности. Чем больше тяжелых минералов, тем она больше и наоборот, чем больше органических соединений, тем ее значения меньше. При увеличении влажности растет и плотность, достигая максимума при полном заполнении пор водой. Чем больше пористость, тем ее значение будет меньше.

Виды плотностей грунта

Различают несколько видов плотности грунта. Помимо "обычной", которая, кстати, учитывает массу как самого грунта, так и воды, находящейся в порах, выделяют еще ряд величин.

Плотность сухого грунта - это отношение массы сухого грунта (без воды в его порах) к его объему (учитывая поры).

Плотность частиц грунта - отношение массы сухого грунта (исключая воду) к объему его твердой составляющей.

Определение плотности грунтов методом режущего кольца

Данный метод применим для грунтов, легко поддающихся резке ножом: глин, суглинков, супесей и песков. Работы проводятся по ГОСТ 5180-84.

Сначала выбирают режущее кольцо -пробоотборник в зависимости от вида грунта. Кольца нумеруют, измеряют с точностью до 0.1 мм и взвешивают (m0). Далее вычисляется объем колец с точностью до 0.1 см3 (V).

Затем берутся гладкие пластины из твердого материала (стекло, металл и др.), которые тоже нумеруются и взвешиваются (m1). Кольца смазываются вазелином или иной смазкой.

Далее берут образец грунта, зачищают и выравнивают плоскость ножом. На ней устанавливают кольцо и винтовым прессом или вручную вдавливают его в грунт, фиксируя границу образца для испытаний. После этого грунт обрезают на 5-10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик диаметром на 1-2 мм больше наружного диаметра кольца. Постепенно кольцо заполняется целиком, лишний грунт удалают, а поверхность зачищается вровень с кромками кольца. Концы закрывают пластинами.

Если грунт сыпучий или очень пластичный, то снизу он подхватывается плоской лопаткой.

Затем кольцо с грунтом и пластинами взвешивают (m2) и вычисляют плотность по формуле: ρ=(m2-m0-m1)/V.

Определение плотности грунтов методом парафинирования

Метод парафинирования (ГОСТ 5180-84) используется для определения плотности связных грунтов.

Из монолита вырезается образец шарообразной формы объемом не менее 50 см3. Его обвязывают тонкой прочной нитью со свободным концом и петлей на конце (чтобы подвесить к весам) и взвешивают (m0).

Нагревают парафин до температуры 57-60 градусов, после чего погружают в него образец на 2-3 секунды. Пузырьки воздуха необходимо удалить до затвердевания. Так его "мокают", пока шарик не покроется плотной парафиновой оболочкой. Охлажденный образец взвешивают (m1).

Затем необходимо взвесить его в воде и определить объем вытесненной воды. Для этого над чашей весов ставят сосуд с водой так, чтобы его масса не передавалась на коромысло весов. Потом подвешивают образец и опускают его в воду; он должен погрузиться целиком, но не касаться при этом дна и стенок. Масса образца обозначается m2.

Для проверки герметичности парафиновой корки образец промакивают фильтровальной бумагой и взвешивают снова. Если масса увеличилась более, чем на 0.02 г, то его следует забраковать.

Плотность вычисляется по формуле: ρ=m0*ρp*ρw/(ρp(m1-m2)- ρw(m1-m0)), где ρp - плотность парафина (0.900 г/см3); ρw - плотность воды при температуре испытаний.

Определение плотности скального грунта

Обычно выпиливают кубик, прямоугольник или цилиндр. Штангенциркулем измеряют все его размеры с точностью до 0.01 см. Замеры проводятся несколько раз в различных направлениях, после чего по средним значениям считают объем.

Затем производят взвешивание с точностью до 0.01 г, после чего вычисляют плотность.

Плотность почвы – масса абсолютно сухого вещества почвы в единице ее объема ненарушенного естественного сложения.

Плотность определяет соотношение между фазами почвы, связана с ее структурным состоянием. Больше всего плотность зависит от сложения и структуры. Рыхлые почвы с зернистой и комковатой структурой большой пористостью мало плотные. Бесструктурные и слитые – плотные (табл. 3).

Плотность почв и грунтов

Глыбы после вспашка

Корка после полива

Чем больше органических соединений в почве, тем плотность ниже, чем больше минералов оксида железа – тем выше. Учет плотности почв позволяет сравнивать значения конкретного показателя (запасы воды, гумуса) в почвах объективно, не зависимо от их гранулометрического состава. Для этого применяют формулу:

где W (%) – значение определяемой величины в процентах; d – плотность почвы, г/смз; h – мощность слоя почвы, горизонта, в см.

Плотность твердой фазы (удельный вес) – средняя плотность почвенных частиц – масса сухого вещества почвы в единице его истинного объема твердой фазы, выраженная в г/смз или т/мз.

Плотность твердой фазы почвы зависит от ее минералогического состава, количества органических веществ. Плотность твердой фазы почвы малогумусных почв составляет 2,65–2,70 г/смз, у торфяных почв, обогащенных органическими соединениями – 1,4–1,8. Определение плотности твердой фазы почвы проводят по формуле:

где d – плотность твердой фазы почвы, г/смз; М – масса сухой почвы, г; В – масса мерной колбы с водой, г; С – масса мерной колбы с водой и почвой, г.

Пористость (общая порозность) – суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы, % от общего объема почвы. Она выражает собой величину полной влагоемкости и полной воздухоемкости в объемных процентах. Общая порозность зависит от гранулометрического и минералогического состава почвы, ее структуры и плотности. В почвах песчаного гранулометрического состава ее значения составляют 35–40, глинистых – 44–50, гумусовых – 50–60, оглеенных – 26–28 %.

Порозность аэрации (некапиллярная порозность) учитывает поровые пространства в каждый момент почвы, на ее долю приходится не менее 15 %. Некапиллярная пористость обеспечивает воздухообмен (аэрацию) и водопроницаемость.

В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели максимальную капиллярную порозность (заполненные водой капилляры) и одновременно порозность аэрации (заполненные воздухом некапиллярные поры) не менее 15–22 % от объема, в хорошо оструктуренных почвах капиллярная порозность достигает 25–30 %.

Наиболее значимые параметры: общая порозность (Р) и порозность аэрации (Ра). Общую порозность определяют по формуле:

Робщ = (1– dv/ d)100,

где Робщ – порозность, %; dv – плотность почвы, г/смз; d – плотность твердой фазы почвы, г/смз; dv/d – объем твердой фазы почвы; 100 – коэффициент пересчета в проценты.

Порозность аэрации (Ра) рассчитывают по формуле:

где Робщ – порозность, %; Рw – порозность, занятая водой или в упрощенной форме, учитывая плотность воды.

где а – влажность почвы, %.

У чернозема слитого плотность составляет 1,4 г/смз, порозность – 48 % во влажном состоянии и соответственно до 1,95 г/смз и 26 % – в сухом. Вспашка, рыхление увеличивают пористость, снижают плотность. В корнеобитаемом слое плотность снижается на 10–15 %, пористость растет на 15–20 %, скорость впитывания воды возрастает в двое. Оптимальные условия в пахотном слое создаются при плотности 1,0–1,2 смз и порозности, равной 55–60 %. Оценку общей порозности предложил Н. А. Качинский (табл. 4).

Сущность уплотнения и влияние различных факторов

Сущность уплотнения и классификация способов уплотнения

Для возведения любой насыпи, прежде всего, необходимо где-то разработать и доставить грунт для этой насыпи. Грунт в естественном состоянии мог быть очень плотный, но в процессе разработки и перемещения он подвергается различным воздействиям, в результате чего его прежняя структура и плотность изменяются. Поэтому при укладке в насыпь необходимо снова привести его в такое состояние, которое повысило бы его плотность и устойчивость против внешних воздействий. Это достигается процессом уплотнения. Именно тщательное уплотнение обеспечивает устойчивость таких земляных сооружений как плотины, дамбы. От степени уплотнения зависит долговечность насыпей и долговечность возводимых на них дорогостоящих сооружений (зданий, дорог и т.д.). Вместе с тем, уплотнение является и наиболее дешевым и поэтому самым распространенным методом придания грунтам необходимой прочности и устойчивости. Его стоимость обычно составляет не более 5-6 % от общей стоимости земляных работ.

Сущность должна включать основной процесс, происходящий в грунте. Это не смятие и деформация частиц, а перемещение частиц и занятие ими более компактного, устойчивого положения с точки зрения неизменности структуры. Поэтому правильнее сущность уплотнения формулировать так: сущность уплотнения заключается в обеспечении перемещения отдельных частиц внутри грунта и такого их перераспределения в положении относительно друг друга, которое образует более компактную, устойчивую структуру против внешних воздействий. Под структурой понимается взаиморасположение отдельных частиц, характер связей между ними, количество и качественное состояние в грунте влажности.

Перемещение частиц может быть обеспечено различными воздействиями: силовыми, динамическими, вибрационными и др. И в зависимости от свойств грунта эти воздействия имеют разный эффект. Задача - выбрать такие воздействия, которые в наибольшей мере способствуют перемещению частиц именно данного грунта данных свойств.

В зависимости от способа воздействия на грунт для его уплотнения, т.е. для перемещения частиц и их более компактной укладки, различают следующие способы уплотнения (таблица 9.2):

- машинами статического действия (укаткой),

- машинами динамического действия,

- машинами комбинированного действия,

- отсыпкой грунта в воду,

Влияние различных факторов на уплотняемость грунтов

Уплотняемость грунтов - относительная способность грунта повышать свою первоначальную плотность под различными воздействиями.

Читайте также: