На физические свойства грунта минералогический состав твердых частиц влияет

Обновлено: 04.07.2024

В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые при рассмотрении можно объединить в следующие три группы: 1 – твердые минеральные частицы; 2 – вода в различных видах и состояниях; 3 – газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения, также влияющие на физические свойства этих грунтов.

Твердые минеральные частицы грунтов представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров – галечники –до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мкм – дисперсные глины) твердых минеральных зерен.

Весьма существенным фактором в оценке свойств твердых грунтовых частиц является их минералогический состав. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (монтмориллонит) значительно сильнее, причем и характер взаимодействия их будет иным. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см 3 или на 1 г) и больше возникает центров взаимодействия как с окружающей твердые частицы водой, так и в контактах самих твердых частиц. Например, частицы глинистого минерала каолина имеют удельную поверхность 10 м 2 /г, а монтмориллонита – 800 м 2 /г, т. е. огромную поверхность, измеряемую сотнями квадратных метров в 1 г грунта, что несомненно сказывается на свойствах природных грунтов, содержащих частицы монтмориллонита. Наличие в грунте частиц слюды (очень скользких, в массе ничтожно сопротивляющихся сдвигу) также существенно сказывается на физических свойствах такого вида грунтов, что и необходимо учитывать.

Все крупнообломочные и песчаные грунты по размерам минеральных частиц делятся (по СНиПу) на следующие виды.

1. Крупнообломочные грунты (валунные, галечниковые – при окатанной форме частиц и щебенистые – при остроугольной) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по массе в воздушно-сухом состоянии.

2. Песчаные грунты с содержанием частиц: крупнее 2 мм более 25% по массе – гравелистые; крупнее 0,5 мм более 50% по массе – крупнозернистые (кр/з); крупнее 0,25 мм более 50% по массе – среднезернистые (ср/з); крупнее 0,10 мм более 75% по массе – мелкозернистые (м/з); крупнее 0,10 мм менее 75% по массе – пылеватые (пески).

3. Глинистые грунты ввиду их большого разнообразия по величине, форме и минералогическому составу не разделяются на группы. Следует лишь указать, что к глинистым частицам грунтов относят все минеральные частицы размером примерно от 0,01 мкм нескольких микрометров.

Содержание в грунте по массе того или иного количества глинистых частиц вследствие чрезвычайной их дисперсности, позволяющей им обволакивать твердые песчаные зерна и включения в грунтах, весьма существенно сказывается на физических свойствах грунтов; наименование таким глинистым грунтам придается в зависимости от суммарного содержания глинистых частиц в грунте, за которые принимают все частицы размером менее 5 мкм (

При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. ==> читать все изречения.

Физические свойства грунтов – это характеристики, которые проявляются в природной среде. Проще говоря, они показывают состояние грунта в конкретном месте и в определенный отрезок времени. Как правило, физические характеристики относятся к тем грунтам , которые не были подвержены внешнему механическому воздействию. Информация о них помогает правильно использовать материал , изменять его свойства.

Физические свойства грунтов
Влажность
Влагоемкость
Водопроницаемость
Гранулометрический состав
Плотность грунта
Пористость грунта
Выветрелость
Пластичность

Группа физических характеристик включает:

О каждом из этих свойств мы расскажем далее.

Влажность

Это процентное содержание воды в грунте в условиях природного залегания. Показатель изменчивый, особенно в верхних горизонтах. Он зависит от климата, количества осадков, времени года. Например, весной, после таяния снега, грунт напитывается влагой от талых вод. Летом, в засушливую погоду, он высыхает.

В нижних слоях массива влажность более стабильная, на нее влияет уровень грунтовых вод. От данного показателя зависят многие характеристики грунта – прочность и несущая способность, просадочность, химический состав, плодородие.

Для определения влажности отбирают пробу грунта и помещают ее в сушильный шкаф. Далее производится несколько этапов высушивания. Это необходимо , чтобы довести образец до постоянной массы и понять , сколько весит материал, не содержащий влаги. Далее сопоставляют первоначальную и конечную массы – и выводят показатель влажности.

Подробнее об этом вы можете прочитать в статье Влажность грунта.

Влагоемкость

Под влагоемкостью понимают свойство грунта впитывать и удерживать воду. Она зависит в первую очередь от количества открытых пор и капилляров. Значительная пористость характерна для мелкозернистых грунтов – песка, дресвы, супеси. Они могут впитывать большое количество воды, но в тоже время хорошо ее пропускают. Глинистые частицы могут фиксировать на своей поверхности молекулы воды и задерживать ее, при полном насыщении увеличиваются в объеме. Поэтому покупать такой грунт весной, когда он впитал много талой воды, не стоит. Масса и объем материала будут больше, но вы доплатите за жидкость.

Влагоемкость определяется лабораторным путем. Для этого сухой образец грунта насыщают водой и сопоставляют разницу масс до и после испытаний.

Подробнее об этом вы можете прочитать в статье Влагоемкость грунта.

Водопроницаемость

Это способность грунта пропускать через себя воду, свободно стекающую в нижние горизонты под воздействием силы тяжести и атмосферного давления. Водопроницаемость влияет на степень уплотнения грунтов , склонность к оползням в горной местности, концентрацию питательных веществ в верхних слоях почвы. У грунтов с низкой водопроницаемостью плохие дренажные свойства, на их поверхности застаивается вода , что ведет к заболачиванию участков.

Измеряется показатель коэффициентом фильтрации, характеризующим скорость, с которой жидкость проходит через материал (в метрах в сутки).

По водопроницаемости все грунты разделяются на несколько групп:

Группа	Коэффициент фильтрации	Комментарий
Водонепроницаемые	До 0,005 м/сут.	За 24 часа в такой грунт вода уйдет менее чем на полсантиметра. Такой показатель характерен для глины и скального грунта с низкой степенью выветрелости.
Слабоводопроницаемые	От 0,005 м/сут. до 0,3 м/сут.	В эту категорию входят тяжелые супеси, песчаники и суглинки. Они плохо пропускают воду из-за плотного сложения.
Водопроницаемые	От 0,3 м/сут. до 3 м/сут.	Сюда входят материалы с достаточно крупным размером зерен или с высокой трещиноватостью. Это супеси, глинистые сланцы, песчаники и известняки
Сильноводопроницаемые	От 3 м/сут. до 30 м/сут.	К этой группе относят практически все пески , а также скальный грунт средней степени выветрелости. Плотность у таких материалов низкая за счет большого количества пустот между зернами. Сквозь эти пустоты хорошо проходит вода.
Очень сильноводопроницаемые	Более 30 м/сут.	Структура таких грунтов практически не препятствует прохождению воды. Это галька, гравий и сильновыветрелый скальный грунт.

Подробнее об этом вы можете прочитать в статье Водопроницаемость грунта.

Гранулометрический состав

Процентное содержание в грунте частиц с разным диаметром. Определяется путем разделения образцов грунта на фракции. Размеры частиц колеблются от десятков сантиметров (валуны и глыбы) до нескольких микрометров (глины, пылеватые грунты). От гранулометрического состава зависят влажность, пористость, плотность, водопроницаемость и ряд других характеристик материала.

Одной из составляющих гранулометрического состава является микроагрегатный состав. Первичные частицы грунта могут скрепляться между собой с помощью коллоидных или цементирующих связей. В результате образуются микроагрегаты и конгломераты. Очень часто такие структуры возникают в плодородных почвах , где песчаные и глинистые частицы сцепляются органическими веществами. Внутри микроагрегатов удерживается влага, интенсивно разлагается органика, размножаются полезные почвенные бактерии.

В целом, все грунты можно разделить на три большие категории:

Крупнообломочные
Песчаные
Глинистые

На самом деле, эта классификация достаточно сложна, и здесь мы не будем сильно погружаться в детали.

Подробно об этой характеристике вы можете прочитать в статье Гранулометрический состав грунта.

Плотность грунта

Плотность грунта – это соотношение его массы к объему (г/см3 или т/м3). Измеряется показатель в неуплотненных образцах при естественной влажности. Дополнительно может определяться плотность твердых частиц, скелета (плотность твердой фазы и пор, без учета влаги), водонасыщенного образца, насыпная плотность (соотношение массы и объема при свободной засыпке материала).

Плотность влияет на несущую способность грунта, водопроницаемость. Зависит она во многом от зернового состава материала. Чем мельче частицы, составляющие основную массу , тем выше будет плотность. Это связано с тем, что мелкие зерна лучше примыкают друг к другу, между ними образуется меньше пустот. А, следовательно, и вес такого материала будет выше.

Показатель плотности позволяет высчитать, какой объем займет партия определенной массы или сколько будет весить куб материала.

Подробнее об этом вы можете прочитать в статье Плотность грунта.

Пористость грунта

Пористость определяется отношением объема всех пустот грунта к его общему объему. Поры бывают крупными и мелкими, открытыми и закрытыми. Они образуются в процессе выветривания и перемещения грунтовой массы. Количество и диаметр зависят от гранулометрического и частично химического состава. От пористости зависят плотность , водопроницаемость и водонасыщенность, способность к усадке.

Подробнее об этом вы можете прочитать в статье Пористость грунта.

Выветрелость

Показатель разрушения горной породы под влиянием природных факторов. Определяется для скальных крупнообломочных грунтов. Коэффициент выветрелости вычисляется после дробления пробы в барабане, по соотношению частиц с диаметром меньше и больше 2 мм. Показатель влияет на прочность и устойчивость к износу. Чем более выветрелый материал, тем быстрее он разрушается под влиянием статических и динамических нагрузок.

Высокий коэффициент выветрелости у разборного скального грунта, гравия , дресвы. Такие материалы нельзя добавлять в бетон, использовать для дорожной одежды на участках с большим трафиком или для других ответственных работ.

Подробнее об этом вы можете прочитать в статье Выветрелость грунта.

Пластичность

Способность глинистой породы под внешним воздействием менять форму и сохранять ее после его прекращения. При этом связи между отдельными частицами не разрываются. Свойство проявляется при увлажнении и определяется числом пластичности (разницей между влажностью , при которой глина переходит в текучее и твердое состояние). Пластичные грунты склонны к набуханию, морозному пучению. При высыхании они становятся твердыми и плохо пропускают воду.

Подробнее об этом вы можете прочитать в статье Пластичность грунта.

Физические характеристики грунта определяются перед закладкой фундамента, прокладкой дороги. Их важно знать, если вы собираетесь покупать материал для строительных целей или улучшения плодородия на огороде.

Важно понимать, что физические свойства грунта после его изъятия из места залегания и перевозки изменяются. Он может терять влажность , уплотняться. Некоторые грунты перед реализацией обогащают. Например, природную ПГС разделяют на песок и гравий. Карьерный песок промывают , удаляют из него мелкие глинистые частицы и крупные включения. Обработанный материал качественнее, но цена его сразу возрастает.

Все грунты отличаются между собой многими признаками. Для механики грунтов наиболее важными являются их физические и механические свойства, количественные показатели свойств грунтов называют характеристиками. Характеристики физических свойств условно разделяют на группы: основные и производные. К основным характеристикам относятся: плотность твердых частиц, плотность грунта природного сложения и влажности. Их определяют опытным путем в лаборатории или в полевых условиях. К производным относят: плотность сухого грунта (Скелета), пористость, коэффициент пористости и коэффициент водонасыщения. Их вычисляют по формулам, используя основные характеристики.

Рис.1. Определение характеристик грунтов.

В состав взятого объема V грунтов входят: твердые частицы суммарным объемом V_s и массой m_s, а также полости между ними с объемом V_p. При этом поры могут быть заполнены частично воздухом с объемом V_a и частично водой объемом V_w с массой m_w.

Плотностью твердых частиц грунта называют массу единицы объема твердых частиц, составленных абсолютно плотно, то есть без каких-либо зазоров, и пор между ними. Плотность твердых частиц выражают отношением массыm_s твердых частиц, содержащихся в общем объеме V почвы, к их суммарному объемуV_s:

За единицу измерения плотности твердых частиц грунта используют г / см 3 . Определяют эту характеристику зачастую пикнометрическим методом. При этом массу твердых частиц находят взвешиванием образца грунта, предварительно высушенного до постоянной массы при температуре 100 … 105 0 С, а объем твердых частиц определяют по массе, вытесненной им жидкости с известной плотностью, с помощью специальных мерных колб (так называемых Пикнометры).

Величина плотности твердых частиц почвы зависит только от их минералогического состава. Она возрастает при увеличении содержания в почве и плотности породо-образовательных минералов (кварца, каолинита, ортоклаза, плагиоклаза, биотита,мусковита и т.п.), а уменьшается — при увеличении содержания органических веществ.

Средние значения плотности твердых частиц отдельных типов дисперсных грунтов составляют: песков — 2,65 … 2,67; супесей — 2,68 … 2,72; суглинков — 2,69 … 2,73;глин — 2,71 … 2,76; заторфованных грунтов — 2,0 … 2,2; торфов — 1,4 … 1,8 г / см3.

Плотностью грунта природной (ненарушенной) структурой называют массу единицы его объема и выражают отношением массы грунта m, включая массу твердых частиц m_s и массу воды m_w, к общему объему почвы V, включая объем твердых частиц V_s и объем пустот V_p:

Соответственно плотность грунта измеряют в г / см3. Для определения плотности грунтов могут быть применены несколько методов:

— метод режущего кольца (Для грунтов, которые легко поддаются обработке ножом), метод парафинирования,

— метод гидростатического взвешивания в нейтральной жидкости — бензине, керосине, и т.п. (для скальных и мерзлыхпочв).

Величина плотности зависит от минералогического состава, влажности и пористости (плотности строения) грунта. Почвы одинакового состава и строения имеют наибольшую массу в случае полного заполнения пор водой. Величина плотности глин, суглинков, супесей, песков и крупнообломочных грунтов находится в диапазоне от 1,2 до 2,4 г / см 3 . Более высокие значения плотности относятся к крупнообломочным (разнозернистым) грунтам, моренным суглинкам и глин. Меньшее значение плотности характерны для грунтов, содержащих гумус, или для лессовых грунтов. Плотность сухого торфа может быть меньше 1,0 г / см3.

Влажностью грунта W называют относительное количество воды, содержащейся в его полостях. В механике грунтов пользуются, так называемой, абсолютной (весовой) влажностью. Абсолютную влажность выражают отношением массы m_w воды, содержащейся в порах некоторого объема грунта V, к массе m_s твердых частиц, содержащиеся в этом же объеме. Влажность почвы измеряют в относительных единицах (г / г) или в процентах, то есть

В дальнейшем весовую влажность будем называть просто влажностью. Ее величина изменяется в очень широких пределах, достигая 200% и более (например, в текучих глинах, морских и речных илах). Влажность определяют высушиванием грунта до постоянной массы при температуре 100 … 105 0 С. Грунт, высушенный до постоянной массы, называют абсолютно сухим.

Свойства грунта - это особенности грунта, обусловленные его составом, взаимоотношением и взаимодействием слагающих грунт компонентов (твердых, жидких и газообразных). Различают физические, механические, магнитные, электрические, водные и др. свойства. Здесь мы остановимся на физических и механических свойствах, поскольку на их основании производятся расчеты фундаментов, подпорных стенок и других элементов сооружений, взаимодействующих с геологической средой. Кроме того, свойства являются исходными данными (не единственными, но очень важными) для изучения и прогнозирования развития экзогенных геологических процессов.

Физические свойства грунтов

Физические свойства грунтов - особенности грунтов, определяющие их поведение в естественных условиях и при взаимодействии с продуктами инженерной и хозяйственной деятельности человека. Ниже приведены основные физические свойства грунтов.

1. Гранулометрический состав (для дисперсных грунтов) - количественное содержание в грунте первичных частиц по фракциям (размерам зерен), выраженное в процентах от общей массы грунта.

2. Плотность . При этом различают плотность грунта и плотность скелета грунта (т.е. частиц грунта).

3. Пористость и коэффициент пористости. Пористость характеризует объем пор в единице объема грунта, а коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твердой компоненты.

4. Влажность . Различают естественную влажность - т.е. влажность образца на момент его отбора из горной выработки (причем она может быть весовой, т.е. отношение массы воды к массе скелета грунта, или объемной, т.е. отношение объема воды в грунте к объему всего грунта); степень влажности (коэффициент водонасыщения) - относительную долю заполнения пор водой в данном грунте; гигроскопическую влажность - отношение массы воды, удаляемой из образца воздушно-сухого грунта, высушенного при температуре 105 градусов до постоянной массы, к массе высушенного грунта.

5. Пределы пластичности (только для глинистых грунтов). Пластичность - это способность грунта деформироваться без разрыва сплошности под воздействием внешних сил и сохранять полученную форму после прекращения воздействия. Влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее называется верхним пределом пластичности . Влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое - влажность нижнего предела пластичности . Разность между значениями влажности для верхнего и нижнего пределов называется числом пластичности . Показатель консистенции - отношение разности весовой влажности и влажности нижнего предела к числу пластичности.

6. Набухаемость грунтов (только для глинистых) - способность грунтов увеличивать свой объем при замачивании. при этом развивается давление набухания.

7. Усадочность (для глинистых и органогенных грунтов) - способность грунтов уменьшать свой объем при обезвоживании.

8. Размокаемость - способность грунтов при замачивании в спокойной воде терять свою связность и превращаться в рыхлую массу.

9. Размягчаемость - способность скальных грунтов снижать свою прочность при взаимодействии с водой.

Механические свойства грунтов

Механические свойства грунтов - это те свойства, которые проявляются при приложении к грунтам нагрузок. Основные свойства:

1. Сжимаемость дисперсных грунтов - способность уменьшаться в объеме под действием внешнего давления. Компрессионная сжимаемость (компрессия) - способность грунта сжиматься под постоянной, ступенчато возрастающей нагрузкой.

2. Просадочность - способность лессовых и других пылеватых грунтов к уменьшению объема при дополнительном увлажнении. Различают просадки при природном давлении (от веса вышележащего грунта) и дополнительном (от веса сооружения).

3. Прочность - способность грунта сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Параметры прочности соответствуют критическим напряжениям, т.е. тем, при которых происходит разрушение грунта.

4. Модуль упругости (Е) - отношение напряжения, при котором начинается разрушение, к разности относительной деформации конца и начала разгрузки.

5. Модуль общей деформации (Е_о) - отношение разности конечного и начального напряжений к разности конечной и начальной относительной продольной деформации.

6. Угол внутреннего трения - параметр линейной зависимости сопротивления сдвигу от вертикальной нагрузки. Для песчаных грунтов равен углу предельного откоса.

7. Сцепление - характеристика структурных связей грунта.

В.В. Дмитриев, Л.А. Ярг. Методы и качество лабораторного изучения грунтов: учебное пособие. - М.: КДУ, 2008. - 542 с.

Е.М. Пашкин, А.А. Каган, Н.Ф. Кривоногова. Терминологический словарь-справочник по инженерной геологии. - М.: КДУ, 2011. - 952 с.

Читайте также: