Визначення характеристик ґрунту

До загальних фізичних властивостей ґрунту належать: щільність твердої фази, щільність складення ґрунту і пористість.

4.4.1. Щільність ( об'ємна вага)

Щільність часток ґрунту (твердої фази ґрунту) визначається пікнометричним методом і обчислюється за формулами:

ЩТФ = МГ/ОВ,

, де ОВ = (MB +МГ)-МГВ, тут ЩТФ - щільність твердої фази, г/см³; МГ - маса абсолютно сухого ґрунту, г; ОВ - маса, води, що займає тверда фаза ґрунту, г; MB - маса пікнометра з чистою водою, г; ПГВ - маса пікнометра з ґрунтом і водою, г.

Більшість мінеральних ґрунтів має щільність твердої фази у межах 2,40-2,70 г/см3, і вона практично не змінюється.

Щільність складення (об’ємна маса) ґрунту - це маса одиниці об’єму (переважно 1 см3) сухого ґрунту в його природному стані. Вона змінюється в широких межах: у мінеральних ґрунтах - від 0,9 до 1,8 г/см³, у болотних і торфових - від 0,15 до 0,40 г/см³.

На величину щільності складення ґрунту впливають його мінералогічний і гранулометричний склад, вміст у ньому гумусу, структурність та ін. Істотно впливає на щільність складення обробіток ґрунту. Найпухкішим ґрунт буває зразу ж після обробітку, а потім починається його ущільнення. Після певного часу ґрунт досягає щільності, яка майже не змінюється. Така щільність складення ґрунту називається рівноважною.

Деякі типи ґрунтів і їх генетичні горизонти мають різну щільність складення. Наприклад, верхні горизонти малогумусних дерново-підзолистих ґрунтів мають щільність складення 1,2-1,4 г/см³, а нижні – 1,6-1,8 г/см³. У верхніх горизонтах чорноземів щільність складення дорівнює 1,0-1,2 г/см³, а в нижніх – 1,3-1,6 г/см³.

Можна розрізнити наступні види об'ємної ваги (вага на одиницю об’єму = щільність помножена на прискорення вільного падінні g) (рис. 37, таблиця 6):

Щільність -маса одиниці об’єму ґрунту, тобто маса ґрунтового матеріалу й ґрунтової води на одиницю об’єму:

 

Вага в вологому стані [кНм^-3]

Вологість – відношення маси води в ґрунті до маси твердих часток ґрунту.

Вага ґрунтового матеріалу (сухого) на одиницю об’єму:

 

 

М_S, V_S = маса та об’єм твердої субстанції

M_W, V_W = маса та об’єм води

M_А, V_А = маса та об’єм повітря

V_Р = об’єм пор

M_Т, V_Т = загальні маса та об’єм

Рис. 9. Відношення маси та води (SN 670 335, 1989)

Вага в сухому стані [кНм^-3]

 

Вага ґрунтового матеріалу без зв’язної води на одиницю об’єму:

 

Вага без зв’язної води [кНм^-3]

 

Вага твердої субстанції на об’єм твердої субстанції:

 

Об'ємна вага твердої субстанції [кНм^-3]

Вимірювання об'ємної ваги (польовий метод)

Вимірювання об'ємної ваги можна найпростіше й найшвидше виміряти ізотопним зондом (SN 670 335, 1989). Недоліком цього методу є висока закупочна ціна обладнання та необхідність використання захисті від випромінювання при роботі та транспортуванні приладу.

Простішим методом є визначення об'ємної ваги піскозамінний методом, та гумового шару метод. Обоє методи базуються на одному принципі (SN 670 335, 1989)

1. Робиться напівсферична виїмка, яка заповнюється замінником (пісок чи вода).

2. З ваги, вкладеного в напівсферичну виїмку, ґрунту визначається, згідно попередньому таруванню, об’єм. Також можна визначити об’єм при використанні щільно прилягаючого до стінок виїмки гумового, заповненого водою, шару.

Результат буде точніший при дрібнозернистих ґрунтах, ніж при крупнозернистих.

Пористість (шпаруватість) ґрунту - це сумарний об’єм усіх пор (шпар) між частинками твердої фази ґрунту. Вона виражається у відсотках загального об’єму ґрунту. В різних горизонтах мінеральних ґрунтів пористість змінюється від 25 до 80 %, у гумусових горизонтах звичайно становить 50-60 %, а у болотних ґрунтах - 80-90 %. Відповідно до розміру пор розрізняють пористість капілярну і некапілярну

Водні властивості ґрунтів

Водні властивості ґрунтів –визначають умови їх використання для фільтрування і дренування.

Фільтрування (filtration) – затримування ґрунтових або інших частинок, що перебувають під дією гідравлічних сил, з одночасним пропусканням рідини перпендикулярно площині шару ґрунту, матеріалу дорожнього одягу, геотекстилю чи віднесеного до геотекстилю виробу.

Дренування (drainage) – збирання поверхневої, ґрунтової води i (або) інших рідин та їх переміщення у площині шару ґрунту, матеріалу дорожнього одягу, геотекстилю чи віднесеного до геотекстилю виробу.

Коефіцієнт фільтраціі (coefficient permeability) – розхід потоку через одиницю площі поперечного перерізу при гідравлічному градієнті рівному 1 і температурі 10 ^оС.

Градієнт напору І – відношення різниці напору води до довжини шляху фільтрації L_ф.

Коефіцієнт фільтрації К_ф, м/добу, це швидкість руху (фільтрації) води при градієнті напору І, який дорівнює 1, та при лінійному законі фільтрації. Коефіцієнт фільтрації визначають на зразках непорушеної (природної) будови або порушеної будови з заданою щільністю по ГОСТ 25584-83.

.

По цьому показнику ґрунти підрозділяються на:

- водопроникні, К_ф > 1 м/добу;

- напівпроникні, 1 > К_ф > 0,001 м/добу;

- непроникні (водотривкі), К_ф < 0,01 м/добу.

Значення коефіцієнтів фільтрації деяких ґрунтів і характеристик їх по водопроникності приведені в таблиця 4.5.

Таблиця 4.5. Коефіцієнт фільтрації ґрунтів

Ґрунти	Кф, м/добу	Оцінка ґрунтів по водопроникності
Глини, скельні ґрунти монолітні	5'10-5	Практично водонепроникні
Суглинки, важкі супіски, пісковики монолітні	До 5'10-3	Вельми слабо водопроникні
Супіски, слабо тріщинуваті глинисті сланці, пісковики, вапняки	До 0,5	Слабо водопроникні
Піски тонко- і дрібнозернисті, скельні ґрунти трещинуваті	До 5	Водопроникні
Піски середньозернисті, скельні ґрунти підвищеної тріщинуватості	До 50	Добре водопроникні
Галечникі, гравелисті піски, скельні ґрунти сильно тріщинуваті	> 500	Сильно водопроникні

Висота капілярного підняття Н_к залежить від розміру пор, температури і мінералізації води, форми зерен і інших чинників і визначається за ГОСТ 25504-83.

Чим більше розмір пор, тим менша висота і більша швидкість капілярного підняття. Практично можна вважати, що при діаметрі зерен більше 2 мм капілярне підняття відсутнє. Значення капілярного підняття в деяких ґрунтах приведені в табл. 4.6.

Таблиця 4.6. Значення капілярного підняття в деяких ґрунтах

Ґрунти	Значення Нк, см
Пісок крупнозернистий	2,0 - 3,5
Пісок середньозернистый	15 - 35
Пісок дрібнозернистий	35 - 100
Супісок	100 - 150
Суглинок легкий	150 - 200
Суглинок середній	200 - 300
Суглинок важкий	300 - 400
Глина	400 - 500

 

Основні фізико-механічні властивості ґрунтів в розрихленому стані

Міцність – характеризується їх здатністю опиратися зовнішнім впливам при розробці.

Гранично - рихлий стан ґрунту – стан ґрунту при мінімальній щільності.

Гранично – щільний стан ґрунту – стан ґрунту при максимальній.

Для розрахунку конструкцій використовують розрахункові характеристики ґрунту – кут внутрішнього тертя φ, питоме зчеплення с і модуль пружності Е.

Модуль пружності ґрунту – коефіцієнт пропорційності між вертикальним тиском на ґрунт та відносною вертикальною пружною деформацією ґрунту. Визначається за дослідами на стиск та при розвантаженні спочатку ущільненого зразка.

В усіх країнах світу національні стандарти нормують показники характеристик, які використовуються при розрахунках конструкцій та споруд (табл. 4.6).

Таблиця 4.6. Загальна назва згідно SN 670 008 (1997) з загальними параметрами ґрунтів (оціночні значення) в додаток до SN 670 010 (1998): нижні значення дійсні для пухких, щойно вкладених, тобто вогких ґрунтів, верхні значення для щільно вкладених, жорстких напівтвердих ґрунтів. На поверхні зрізу чи на межі шарів у пухкій гірській та скальній породах (наприклад: глиняні шари в озерах, сланцеві поля на скальних породах) можливо також значно нижчий опір зсуву (тертя, когезія).

 

	Символи (згідно USCS* ЗКСҐ)	Ґрунт (позначення)	Типові параметри ґрунтів (оціночні значення)
Об'ємна вага	Характеристики міцності на зсув	Водопроникність
γ [кНм-3]	φ' [º]	с [кНм-2]	k [мс-1]
Крупнозернисті ґрунти	щебінь		Доля піску <15%	Доля піску ≥15%
GW	Добре фракціонований щебінь	Добре фракціонований піщаний щебінь	20…22	38…42		5∙10-4…5∙10-2
GP	Погано фракціонований щебінь	Погано фракціонований піщаний щебінь	20…22	36…40		5∙10-4…5∙10-2
GW-GM	Добре фракціонований щебінь з тонкозернистим піском	Добре фракціонований щебінь з тонкозернистим та звичайним піском	21…23	34…38		5∙10-7…5∙10-5
GW-GC	Добре фракціонований щебінь з (піщаною) глиною	Добре фракціонований щебінь з (піщаною) глиною та піском	21…23	32-36	0…5	5∙10-7…5∙10-5
GP-GM	Погано фракціонований щебінь з тонкозернистим піском	Погано фракціонований щебінь з тонкозернистим та звичайним піском	21…23	34…38		5∙10-7…5∙10-5
GP-GC	Погано фракціонований щебінь з (піщаною) глиною	Погано фракціонований щебінь з (піщаною) глиною та піском	21…23	32-36	0…5	5∙10-4…5∙10-2
GM	Тонкозернистий щебінь	Тонкозернистий піщаний щебінь	21…23	34…38		5∙10-8…5∙10-6
GC	Глинистий щебінь	Глинистий щебінь з піском	21…23	30-34	0…10 (20)	5∙10-9…5∙10-6
GC-GM	Тонкозернисто-глинистий щебінь	Тонкозернисто-глинистий щебінь з піском	21…23	31-35	0…5	10-8…10-6
пісок		Доля щебеня<15%	Доля щебеня≥15%
SW	Добре фракціонований пісок	Добре фракціонований щебенистий пісок	19…21	36…40		5∙10-5…5∙10-4
SP	Погано фракціонований пісок	Погано фракціонований щебенистий пісок	19…21	34…38		5∙10-5…5∙10-3
SW-SM	Добре фракціонований пісок з тонкозернистим піском	Добре фракціонований щебенистий пісок з тонкозернистим піском	20…22	32…35		5∙10-7…5∙10-4
SW-SC	Добре фракціонований пісок з (піщаною) глиною	Добре фракціонований щебенистий пісок з (піщаною) глиною	19…21	30-33	0…5	10-7…10-5
SP-SM	Погано фракціонований пісок з тонкозернистим піском	Погано фракціонований щебенистий пісок з тонкозернистим піском	20…22	32…35		5∙10-7…5∙10-4
SP-SC	Погано фракціонований пісок з (піщаною) глиною	Погано фракціонований щебенистий пісок з (піщаною) глиною	19…21	30-33	0…5	10-7…10-5
SM	пісок з тонкозернистим піском	щебенистий пісок з тонкозернистим піском	20…22	29-32	0…5	10-8…10-6
SC	Глинистий пісок	Глинистий пісок зі щебенем	21…23	28-31	0…5	10-9…10-6
SC-SM	Тонкозернисто-глинистий пісок	Тонкозернисто-глинистий пісок зі щебенем	21…23	29-32	0…5	10-8…10-6
Дрібнозернисті ґрунти	CL	Глинистий тонкозернистий пісок	20…22	24-28	0…5	5∙10-10…5∙10-8
CM	Пісна глина	19…21	22-26	0…10	10-10…10-8
CL-ML	Глина з тонкозернистим піском	20…22	26-30	0…2	10-9…10-7
ML	Тонкозернистий пісок	19…21	28-32	0…5	5∙10-9…10-6
CH	Жирна глина	18…20	18-22	0…10 (20)	10-10…10-7
MH	Пластична тонкозернистий пісок	15…17	23-27	0…10	10-10…5∙10-8
OL	Органічний тонкозернистий пісок	16…18	20-28	0…5	5∙10-9…10-7
OH	Органічна глина	14…16	15-25	0…10	5∙10-10…10-7
Pt	Торф	8…13	10-20	0…5

*USCS – загальна класифікаційна система ґрунтів (ЗКСҐ).