Для использования грунтов в инженерно-строительных целях необходимо знать основные характеристики, определяющие их состояние и возможное его изменение под влиянием различных факторов. Физическое состояние грунтов устанавливается по основным физическим характеристикам: плотность грунта, плотность частиц грунта, природная влажность, границы пластичности – для глинистых грунтов, (ГОСТ 5180-84).
В строительной практике наиболее часто служат основаниями разнообразных сооружений глинистые грунты (супеси, суглинки, глины), поэтому монолиты и образцы грунта, отобранные студентами во время буровых работ также в основном глинистые породы.
Порядок определения физических свойств грунтов в лаборатории следующий.
1) Определение плотности грунта методом «режущего кольца»
Для определения плотности грунта необходимо измерить массу образца и определить его объем, сохранив естественное состояние грунта. Для связных грунтов используется метод режущего кольца, который состоит в задавливании в грунт цилиндрической обоймы известного объема, масса образца грунта находится по разности массы кольца с грунтом и собственной массы кольца, взвешенного заранее.
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.
Объем кольца – 50см3
Таблица 3 Определение плотности (ρ) грунта методом
режущего кольца по ГОСТ 5180-84
| № скв | № пробы | Глубина отбора, м | Визуальное описание грунта | Масса кольца, m0, г | Масса кольца с грунтом, m1, г | Масса грунта, m1 – m0 | Объем грунта V, см3 | Плотность грунта, ρ,, г/см3 | Примечание | |
| образца | средняя | |||||||||
Плотность грунта определяют по формуле:
(1)
2) Определение природной (естественной) влажности грунта, границ пластичности глинистых грунтов.
Влажность природная W, % или доли ед. – отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы.
Влажность определяют по формуле:
(2)
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 4.
Таблица 4. Определение влажности, границ текучести и раскатывания пылевато-глинистых грунтов по ГОСТ 5780-84
| № пробы | Номер выработки | Глубина отбора образца в м | Визуальное описание грунта | Номер бюкса | Масса влажного грунта с бюксом m1 | Масса высушенного грунта с бюксом, m2 | Масса бюкса, m | Вода, m1 – m2 | Сухой грунт, m2 - m | Влажность, W, д.ед. | Число пластичности L=Wт - Wp | Показатель консистенции | |
| Отдельной пробы | Средняя | ||||||||||||
Камеральный период.
Остальные показатели физических свойств грунтов определяют расчетным способом.
2.3.1. Для глинистых грунтов классификационными характеристиками являются – число пластичности, показатель текучести, просадочность, набухаемость, водопроницаемость, наличие органики, степень водонасыщения
7) Наименование (разновидность) глинистого грунта определяют по числу пластичности (таблица 5).
Число пластичности I p — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания W p. W L и W p определяют по ГОСТ 5180 (таблица 4).
(3)
Таблица 5. Основные разновидности грунтов по Ip (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.11)
| Разновидность глинистых грунтов | Чисто пластичности, % |
| Супесь | 1—7 |
| Суглинок | 7—17 |
| Глина | > 17 |
Примечание — Илы подразделяют по значениям числа пластичности, указанным в таблице, на супесчаные, суглинистые и глинистые.
7) Для характеристики консистенции глинистого грунта в строительных целях используют показатель текучести (консистенции) IL:
(4)
W – естественная влажность грунта, д.ед.;
Wp – нижний предел пластичности (влажность на границе раскатывания), д.ед.;
Ip – число пластичности, д.ед.
Таблица 6. Основные разновидности глинистых грунтов по IL
(по ГОСТ 25100-95, табл.Б.14)
| Разновидность глинистых грунтов | Показатель текучести IL |
| Супесь: | |
| — твердая | < 0 |
| — пластичная | 0–1 |
| —текучая | > 1 |
| Суглинки и глины: — твердые | <0 |
| — полутвердые | 0–0,25 |
| — тугопластичные | 0,25–0,50 |
| — мягкопластичные | 0,50–0,75 |
| — текучепластичиые | 0,75–1,00 |
| — текучие | > 1,00 |
7) Рассчитывают плотность сухого грунта r d, г/см3 – отношение массы грунта (за вычетом массы воды и льда) к его объему:
(5)
r — плотность грунта, г/см3;
W — влажность грунта, д. е.
7) Пористость грунта n, %, доли ед. – отношение объема пор ко всему объему грунта:
(6)
ρ s – плотность частиц грунта – масса единицы объема минеральной части, г/см3;
rd – плотность сухого грунта, г/см3.
Средние значения ρs песчаных и пылевато-глинистых грунтов следующие (в г/см3): песок – 2,66; супесь – 2,70; суглинок – 2,71; глина – 2,74.
7) Коэффициент пористости е, доли ед., – отношение объема пор к объему твердой части скелета грунта:
или 
(7)
6) Коэффициент водонасыщения (степень влажности) Sr, д.ед. – степень заполнения объема пор водой:
(8)
где ρs – плотность частиц грунта, г/см3;
W –природная влажность, доли ед.;
е – коэффициент пористости, доли ед.;
ρw – плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см3.
7) Определяют степень морозной пучинистости грунта по его полной характеристике (таблица 7).
Таблица 7. Разновидности грунтов по относительной деформации пучения (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.27)
| Разновидность грунтов | Относительная деформация пучения e fn, д. е. | Характеристика грунтов |
| Практически непучинистый | < 0,01 | Глинистые при IL £ 0 Пески гравелистые, крупные и средней крупности, пески мелкие и пылеватые при Sr £ 0,б, а также пески мелкие и пылеватые, содержащие менее 15 % по массе частиц мельчи 0,05 мм (независимо от значения Sr). Крупнообломочные грунты с заполнителем до 10 % |
| Слабопучинистый | 0,01 ¾ 0,035 | Глинистые при 0 < IL £ 0,25 Пески пылеватые и мелкие при 0,6 < Sr £ 0,8 Крупнообломочные с заполнителем (глинистым, песком мелким и пылеватым) от 10 до 30 % по массе |
| Среднепучинистый | 0,035 ¾ 0,07 | Глинистые при 0,25 < IL £ 0,50 Пески пылеватые и мелкие при 0,80 < Su £ 0,95 Крупнообломочные с заполнителем (глинистым, песком пылеватым и мелким) более 30 % по массе |
| Сильнопучинистый и чрезмерно пучинистый | > 0,07 | Глинистые при IL > 0,50. Пески пылеватые и мелкие при Sr > 0,95 |
2.3.2. Для несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов в лаборатории определяются аналогичными методами плотность грунта и естественная влажность грунта (см. формулы (1),(2).
Классификационными характеристиками для песчаных грунтов служат: гранулометрический состав, степень неоднородности, коэффициент пористости, степень плотности и содержание органических веществ.
1) Гранулометрический состав - количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.
По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 8.
Таблица 8. Разновидности песчаных и крупнообломочных грунтов по гранулометрическому составу (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.10)
| Разновидность грунтов | Размер зерен, частиц d, мм | Содержание зерен, частиц, % по массе |
| Крупнообломочные: | ||
| - валунный (при преобладании неокатанных частиц - глыбовый) | > 200 | > 50 |
| - галечниковый (при неокатанных гранях - щебенистый) | > 10 | > 50 |
| - гравийный (при неокатанных гранях - дресвяный) | > 2 | > 50 |
| Пески: | ||
| - гравелистый | > 2 | > 25 |
| - крупный | > 0,50 | > 50 |
| - средней крупности | > 0,25 | > 50 |
| - мелкий | > 0,10 | ³ 75 |
| - пылеватый | > 0,10 | < 75 |
Примечание - При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.
В инженерно-геологической практике выделяют также пески глинистые, содержащие свыше 3% глинистых частиц и не обладающие свойством пластичности (Ip<1).
2) Плотность сложения песков оценивается по величине коэффициента пористости е (таблица 9), (по ГОСТ 25100-95 табл.Б.18).
Таблица 9.
| Разновидность песков | Коэффициент пористости е | ||
| Пески гравелистые, крупные и средней крупности | Пески мелкие | Пески пылеватые | |
| Плотный | < 0,55 | < 0,60 | < 0,60 |
| Средней плотности | 0,55 - 0,70 | 0,60 - 0,75 | 0,60 - 0,80 |
| Рыхлый | > 0,70 | > 0,75 | > 0,80 |
Для определения е применяют расчеты согласно формул (5.7), как и для глинистых грунтов.
3) По коэффициенту водонасыщения Sr ( согласно формуле (6) крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 10 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.17).
Таблица 10.
| Разновидность грунтов | Коэффициент водонасыщения Sr, д. е. |
| Малой степени водонасыщения | 0 - 0,50 |
| Средней степени водонасыщения | 0,50 - 0,80 |
| Насыщенные водой | 0,80 - 1,00 |
4) Степень неоднородности гранулометрического состава Cu - показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле:
(9)
где d 60, d 10 - диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.
Результаты гранулометрического анализа песчаных грунтов представляют в виде интегральной кривой, выполненной в полулогарифмическом масштабе, по этой кривой находят действующий (эффективный) диаметр частиц d 10 и контролирующий диаметр частиц d60 (Рис.3).
|
По степени неоднородности гранулометрического состава С u, крупнообломочные грунты и пески подразделяют на:
- однородный грунт С u £ 3;
- неоднородный грунт С u > 3.
5) Определяют степень морозной пучинистости песчаногогрунта по его полной характеристике, таблица 7 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.27).
По таблицам 12 и 13 (Приложение 1 СНиП 2.02.01-83*). для исследованного грунта определить нормативные значения прочностных (сцепление – с, кПа, угол внутреннего трения φ, град) и деформационных (модуль общей деформации Е, МПа) показателей.
Таблица 11. Показатели механических свойств пород рыхлых отложений.
| Обозначение | Показатель по СНиП 2.02.01-83 | Единица измерения, СИ | Физический смысл | Расчетная формула или методика определения по стандартам |
| С | Сцепление | МПа, кПа | Сопротивление сдвигу при отсутствии внешней нагрузки | ГОСТ 12248-96 |
| φ | Угол внутреннего трения | Град. | Отношение сопротивления сдвигу к приложенной нагрузке | ГОСТ 12248-96 |
| Е | Модуль общей деформации | МПа | Коэффициент пропорциональности между давлением и относительной линейной деформацией грунта | ГОСТ 12248-96 Е1-2=β·(1+е)/α α – коэффициент сжимаемости: β – поправка, учитывающая отсутствие бокового расширения грунта |
Таблица 12. Нормативные значения удельного сцепления сn, кПа (кгс/см2), угла внутреннего трения jn, град. и модуля деформации Е, МПа (кгс/см2), пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений (Приложение 1 СНиП 2.02.01-83*)
| Наименование грунтов и пределы нормативных значений их | Обозна- чения характе- ристик | Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е, равном | |||||||
| Показателя текучести | грунтов | 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | |
| Супеси | 0 £ IL £ 0,25 | cn jn | 21 (0,21) | 17 (0,17) | 15 (0,15) | 13 (0,13) | - - | - - | - - |
| 0,25< IL £0,75 | cn jn | 19 (0,19) | 15 (0,15) | 13 (0,13) | 11(0,11) | 9 (0,9) | - - | - - | |
| 0 < IL £ 0,25 | cn jn | 47 (0,47) | 37 (0,37) | 31 (0,31) | 25 (0,25) | 22 (0,22) | 19 (0,19) | - - | |
| Сугли- нки | 0,25 < IL £ 0,5 | cn jn | 39 (0,39) | 34 (0,34) | 28 (0,28) | 23 (0,23) | 18 (0,18) | 15 (0,15) | - - |
| 0,5 < IL £ 0,75 | cn jn | - - | - - | 25 (0,25) | 20 (0,20) | 16 (0,16) | 14 (0,14) | 12 (0,12) | |
| 0 < IL £ 0,25 | cn jn | - - | 81 (0,81) | 68 (0,68) | 54 (0,54) | 47 (0,47) | 41 (0,41) | 36 (0,36) | |
| Глины | 0,25 < IL £ 0,5 | cn jn | - - | - - | 57 (0,57) | 50 (0,50) | 43 (0,43) | 37 (0,37) | 32 (0,32) |
| 0,5 < IL £ 0,75 | cn jn | - - | - - | 45 (0,45) | 41 (0,41) | 36 (0,36) | 33 (0,33) | 29 (0,29) |
Таблица 13. Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых грунтов(Приложение 1 СНиП 2.02.01-83*)
| Присхождение и | Наименование грун- | Модуль деформации грунтов Е, МПа (кг/см2), при коэффициенте пористости е, равным | ||||||||||||
| возраст грунтов | тов и пределы норма- тивных значений их показателя текучести | 0,35 | 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | ||
| Аллювиа- льные, | Супеси | 0 £ IL £ 0,75 | - | 32 (320) | 24 (240) | 16 (160) | 10 (100) | 7 (70) | - | - | - | - | - | |
| отложения | Делювиа- льные, | Суглинки | 0 £ IL £ 0,75 0,25 < IL £0,5 0,5 < IL £0,75 | - - - | 34 (340) 32 (320) - | 27 (270) 25 (250) - | 22 (220) 19 (190) 17 (170) | 17 (170) 14 (140) 12 (120) | 14 (140) 11 (110) 8 (80) | 11 (110) 8 (80) 6 (60) | - - 5 (50) | - - - | - - - | - - - |
| Четвертичне | Озерные, Озерно- аллюви- альные | Глины | 0 £ IL £ 0,75 0,25 < IL £0,5 0,5 < IL £0,75 | - - - | - - - | 28 (280) - - | 24 (240) 21 (210) - | 21 (210) 18 (180) 15 (150) | 18 (180) 15 (150) 12 (120) | 15 (150) 12 (120) 9 (90) | 12 (120) 9 (90) 7 (70) | - - - | - - - | - - - |
| Флювио- глянциа- льные | Супеси | 0 £ IL £ 0,75 | - | 33 (330) | 24 (240) | 17 (170) | 11 (110) | 7 (70) | - | - | - | - | - |
Продолжение таблицы 13
| Суглинки | 0 £ IL £ 0,75 0,25 < IL £0,5 0,5 < IL £0,75 | - - - | 40 (400) 35 (350) - | 33 (330) 28 (280) - | 27 (270) 22 (220) 17 (170) | 21 (210) 17 (170) 13 (130) | - 14 (140) 10 (100) | - - 7 (70) | - - - | - - - | - - - | - - - | ||
| Моренные | Супеси Суглинки | IL £ 0,5 | 75 (750) | 55 (550) | 45 (450) | - | - | - | - | - | - | - | - | |
| Юрские отложе- ния оксфордского яруса | Глины | -0,25 £ IL £ 0 0 < IL £ 0,25 0,25 < IL £0,5 | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | 27 (270) 24 (240) - | 25 (250) 22 (220) - | 22 (220) 19 (190) 16 (160) | - 15 (150) 12 (120) | - - 10 (100) |
Сделать заключение о каждом образце исследованного грунте, охарактеризовав и обобщив особенности его физического состояния, водных и механических свойств.
Результаты определений занести в таблицу 14:
Таблица 14. Данные лабораторных исследований образцов грунтов.
| Номер образца | Номер скважины | Глубина отбора образца, м | Характеристика грунта | rS, г/см3 | r, г/см3 | rd, г/см3 | W, д.ед. | Sr, д.ед. | n, % | е, д.ед. | WL, д.ед | WP, д.ед | Ip д.ед. | IL д.ед | C, МПа | φ˚ | Е. МПа |
