Исследование показателей влажности и консистенции глинистых горных пород (грунтов)

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Под влажностью породы понимают содержание в её порах того или иного количества воды, удаляемой при температуре (105 ± 2)^ºС. Показателями влажности являются: влажность породы, полная влагоёмкость, коэффициент водонасыщения и др.

1.1.1. Влажность породы W – это количество воды, содержащейся в данный момент в породе, выраженное в долях единицы относительно массы абсолютно сухой породы. Численно она равна отношению массы воды в порах (m_в) к массе абсолютно сухой породы (m_т):

 

, (1)

 

1.1.2. Природная (естественная) влажность породы – это влажность породы, определённая по природным (естественным) образцам породы.

Величина природной влажности является важной характеристикой физического состояния породы, определяющей её прочность и поведение под сооружениями. Особое значение влажность имеет для глинистых пород, резко изменяющих свои свойства в зависимости от степени увлажнения. В меньшей степени это относится к тонкозернистым пескам. Природная влажность является косвенным показателем, необходимым для расчёта плотности породы, пористости, степени влажности и др.

Природная влажность породы – величина переменная. Если ниже уровня грунтовых вод (в зоне насыщения) она почти не меняется, то выше уровня грунтовых вод (в зоне аэрации) природная влажность изменяется во времени. Наблюдаются суточные, сезонные и годовые колебания, обусловленные погодными и климатическими факторами. На природную влажность оказывают влияние и искусственные факторы – орошение, водозабор и др.

У скальных пород влажность мала и изменяется от долей процента до первых процентов. У полускальных пород природная влажность может достигать 15–20 %, иногда более. Влажность песчаных и глинистых пород в условиях естественного залегания может изменяться в очень широких пределах: от 40 % в песках и глинах до 80–90% и более (в районе г. Мехикодо 300 %).

1.1.3. Полная влагоёмкость – это предельная влажность породы, возможная при данной пористости породы:

 

, (2)

 

где е – коэффициент пористости;

– плотность частиц породы, г/cм³;

– плотность воды, принимаемая = 1 г/см³.

 

1.1.4. Для более полной характеристики физического состояния породы необходимо ещё знать степень заполнения пор в породе водой, т.е. насколько полно поры породы заполнены водой. Для этого и определяется коэффициент водонасыщения породы (ранее применялись термины – относительная влажность, степень влажности, коэффициент влажности).

Коэффициент водонасыщения S_r – представляет собой отношение природной влажности (W) к полной влагоёмкости породы ():

, (3)

 

Путём математических преобразований формулы (3) коэффициент водонасыщения можно определить как отношение объёма воды в порах () к общему объёму пор в породе ():

 

. (4)

 

Величина изменяется от для абсолютно сухих пород до , когда все поры в породе полностью заняты водой. При < 1 в порах породы кроме воды присутствует также некоторое количество воздуха.

 

1.2. При изменении влажности глинистой породы изменяется её консистенция. Консистенция – это степень подвижности породы (частиц породы) или сопротивляемость породы внешним механическим воздействиям при различной влажности. Консистенция пород проявляется только при их деформации.В зависимости от влажности глинистые породы имеют три основные формы консистенции: твердую, пластическую и текучую, а также ряд промежуточных форм (см. табл. 2). Границам разных форм консистенции соответствуют характерные значения влажности, определяющие момент перехода породы из одного состояния (консистенции) в другое.

Пластичность породы – это способность породы изменять под воздействием внешних сил свою форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять полученную форму после прекращения действия внешних сил. Проявление пластичности горных пород связано с изменением температуры, давления и влажности. При определённом изменении влажности в условиях обычных температур и давлений пластичность приобретают лишь глины, лёссы, мергели, мел, почвы и некоторые искусственные породы. Наиболее ярко пластичность проявляется в глинистых породах. Пластичность глинистых пород характеризуется тремя показателями: влажностью на границе текучести, влажностью на границе раскатывания и числом пластичности.

1.2.1. Влажность на границе текучести – это пограничное значение влажности, между текучей консистенцией породы и пластичной.

1.2.2. Влажность на границе раскатывания – это пограничное значение влажности, между пластичной консистенцией породы и твёрдой.

1.2.3. Число пластичности – разность влажностей, консистентных переходов глинистой породы:

 

. (5)

 

Число пластичности характеризует интервал влажности, в котором глинистые породы находятся в пластическом состоянии. Число пластичности возрастает в породах с большим содержанием глинистых частиц, поэтому все глинистые породы согласно классификации по ГОСТ 25100–95 (ГРУНТЫ) подразделяются на следующие разновидности (табл. 1).

 

Таблица 1

 

Классификация глинистых пород по числу пластичности ()

Разновидность глинистых грунтов	Jp, д,е
глина	Jp > 0,17
суглинок	0,17 >Jp > 0,07
супесь	0,07 >Jp > 0,01
песок

1.2.4. Состояние (консистенция) глинистых пород в условиях естественного залегания ориентировочно оценивается по показателю текучести (ранее применялся термин – показатель консистенции).

Показатель текучести – это природная влажность породы, выраженная относительно влажности границы текучести и влажности границы раскатывания. Её находят как отношение разности природной влажности и влажности на границе раскатывания к числу пластичности.

 

. (6)

 

Показатель текучести указывает степень приближения природной влажности породы к влажности на границе раскатывания или к влажности на границе текучести. По величине все глинистые породы согласно классификации по ГОСТ 25100–95

(ГРУНТЫ) подразделяются на следующие разновидности
(табл. 2).

Таблица 2

 

Классификация глинистых пород по показателю текучести ( )

 

Разновидность глинистых грунтов	Показатель текучести , д.е.
Супесь: – твёрдая – пластичная – текучая	< 0 0 – 1 > 1
Суглинки и глины: – твёрдые – полутвёрдые – тугопластичные – мягкопластичные – текучепластичные – текучие	< 0 0 – 0,25 0,25 – 0,50 0,50 – 0,75 0,75 – 1,00 > 1,00

 

Из табл. 2 и формулы (5) видно, что глинистая порода относится к твёрдым при < 0, т.е. когда естественная влажность породы меньше влажности на границе раскатывания , к пластичным – при 0 < < 1 и к текучим – при > 1.

1.3. Пластичность глинистых пород в определённом интервале влажности обусловлена наличием вокруг минеральных глинистых частиц породы очень тонких гидратных (водных) оболочек. Чем толще эта оболочка, тем пластичнее порода. К основным факторам, определяющим степень пластичности глинистых пород, т.е. влияющим на толщину гидратной оболочки, относятся:

1) гранулометрический состав (по мере уменьшения размера частиц пластичность породы увеличивается);

2) минеральный состав (различные минералы при одинаковой дисперсности обладают различной пластичностью, наибольшей пластичностью обладают глинистые минералы);

3) химический состав глинистых минералов;

4) форма частиц породы (наибольшей пластичностью обладают минералы, имеющие пластинчатую, чешуйчатую форму);
5) химический состав и концентрация солей в воде (присутствие солей и повышение их концентрации в воде снижает пластичность пород);

6) сложение пород – нарушенное или ненарушенное (в естественном залегании глины обладают гораздо меньшей пластичностью).

1.4. Изучение консистенции пород имеет большое практическое значение при:

а) оценке их устойчивости в стенках строительных котлованов, выемках и т.п;

б) определении нормативных давлений на глинистые породы, при проектировании фундаментов сооружений на них;

в) оценке устойчивости бортов карьеров и стенок подземных горных выработок.

1.5. В данной лабораторной работе влажность глинистой породы (), влажность на границе раскатывания () и влажность на границе текучести () находятся путём проведения лабораторных испытаний глинистой породы; другие показатели – коэффициент водонасыщения (), число пластичности (), показатель текучести (), и полная влагоёмкость породы () – находятся расчётным путём.

 

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

 

Технические весы с разновесами или электоронные, бюксы с крышкой, сушильный шкаф, балансирный конус с подставкой и чашечкой, эксикатор, дистиллированная вода, образцы глинистой породы, нож для перемешивания образца глинистой породы.

 

 

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ()

ГЛИНИСТОЙ ПОРОДЫ

3.1. Подготовка и последовательность выполнения работ

 

3.1.1. Бюкс взвешивается и результат записывается в табл. 3.

3.1.2. В предварительно взвешенный бюкс помещается образец породы массой 15–20 г.

3.1.3. Взвешивается образец породы вместе с бюксом и результат заносится в табл. 3.

3.1.4. Бюкс с образцом помещается в сушильный шкаф, где образец сушится до полного удаления влаги при температуре (105 ± 2)ºС.

3.1.5. Бюкс с высушенным грунтом помещается в эксикатор и охлаждается до комнатной температуры.

3.1.6. Охлаждённый бюкс с высушенным грунтом взвешивается и результат заносится в табл. 3.

 

3.2. Обработка результатов

 

3.2.1. Расчёт влажности осуществляется по формуле:

 

, (6)

 

где – масса пустого бюкса;

– масса бюкса с влажным грунтом;

– масса бюкса с сухим грунтом.

Результат расчёта влажности в долях единицы заносится в
табл. 3.

 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ ТЕКУЧЕСТИ ()

 

Границу текучести следует определять как влажность изготовленной из исследуемой глинистой породы пасты, при которой балансирный конус погружается под действием собственного веса за 5 с на глубину 10 мм.

4.1. Подготовка и последовательность выполнения

4.1.1. Проба глинистой породы переносится в чашечку, куда добавляется небольшое количество воды. Проба тщательно перемешивается с водой, выравнивается, и чашечка ставится на подставку.

4.1.2. Поверхность балансирного конуса смазывается вазелином и конус осторожно опускается на выровненную поверхность пробы, позволяя ему погружаться в пробу под действием собственного веса.

4.1.3. Погружение конуса в пробу в течение 5 с на глубину 10 мм показывает, что грунт имеет влажность, соответствующую границе текучести.

4.1.4. Если конус погружается быстрее 5 с, то пробу надо немного подсушить, тщательно перемешивая, а если конус погружается медленнее 5 с, то в пробу добавляется немного воды, проба тщательно перемешивается и опыт с погружением конуса повторяется.

4.1.5. После окончания опыта отбирается проба породы в заранее взвешенный бюкс и проводится определение влажности, как это описано в п. 3.1.

4.1.6. Результаты заносятся в табл. 3.

 

4.2. Обработка результатов

 

4.2.1. Расчёт влажности производится по формуле (6), указанной в п. 3.2.

4.2.2. Результаты расчёта заносятся в табл. 3.

 

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ РАСКАТЫВАНИЯ ()

 

Границу раскатывания (пластичности) следует определять как влажность приготовленной из исследуемой глинистой породы пасты, при которой паста, раскатываемая в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3–10 мм.

 

5.1. Подготовка и последовательность выполнения

5.1.1. Образец породы массой примерно 20–25 г разминается, расщепляется и раскатывается ладонью в жгутики диаметром около 3 мм.

5.1.2. Если при этой толщине жгутики сохраняют связанность и пластичность, их собирают в комок и вновь раскатывают в жгутики диаметром 3 мм. Раскатывание продолжают до тех пор, пока жгутики не начнут распадаться на кусочки длиной 3–10 мм.

5.1.3. Распавшиеся жгутики собираются в заранее взвешенный бюкс и проводится определение влажности согласно п. 3.1.

5.1.4. Результаты взвешивания заносятся в (табл. 3).

 

5.2. Обработка результатов

 

5.2.1. Расчёт влажности проводится по формуле (6), указанной в п. 3.2.

5.2.2. Результаты расчёта заносятся в табл. 3.

 

Таблица 3