Основные характеристики физических свойств грунтов,

Отбор образцов

Физические свойства грунтов характеризуют их физическое состояние в условиях природного (ненарушенного) залегания.

Исследование свойств грунтов предусматривает получение материала горных пород для определения показателей их физико-технических свойств – отбор проб.

Количество отобранного грунта должно быть таким, чтобы состав и свойства пробы соответствовали составу и свойствам опробуемого слоя. Чем более неоднороден грунт, тем больше должна быть проба. Ее размер должен соответствовать технологическим требованиям лабораторных исследований, а общая масса материала должна быть достаточной для всего комплекса лабораторных работ.

Отбираемые пробы могут быть с нарушенным или ненарушенным сложением (монолит). Чем меньше нарушается структура грунта в процессе его отбора и на всем пути следования до лаборатории, тем больше будет достоверность показателей.

Пробы и монолиты отбирают из обнажений (мест выхода горных пород на земную поверхность) и из горных выработок (скважин, шурфов, штолен, траншей, расчисток и т. д.).

Поскольку при нарушении структурных связей грунта его свойства изменяются, желательно изучать состояние грунта при ненарушенной структуре.

Бурение скважин является основным видом разведочных работ при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях.

Буровая скважина – это цилиндрическая вертикальная (иногда наклонная или горизонтальная) горная выработка малого диаметра, выполняемая буровым инструментом. Начальную точку скважины называют устьем, а конечную забоем. Образцы горных пород, извлекаемые из скважины, называют керном, если они представляют собой монолиты цилиндрической формы, или шламом, если порода раздроблена.

Диаметр скважин, используемых при инженерно-геологических изысканиях, обычно находится в пределах от 34 до 273 мм (для гидрогеологических целей – больше). Глубина скважин определяется задачами исследований и для инженерно-строительной целей редко превышает 30 м, а при поиске вод для водоснабжения может быть более 800 м.

К преимуществам бурения относят высокую скорость проходки, возможность достижения больших глубин, механизацию операций, мобильность установок. Недостатками метода являются невозможность осмотра стенок скважины, небольшой размер образцов, необходимость промывки скважины при бурении.

По окончании полевых работ из скважин извлекают инструмент и обсадные трубы, выработки тщательно цементируют, грунт утрамбовывают, а поверхность земли выравнивают.

Проходка шурфов осуществляется путем разрушения пород в забое горной выработки и извлечения их на поверхность земли. При небольших объемах работ разрушение малопрочных пород производят вручную.

В других случаях возможно использование пневматических молотков и даже взрывчатых веществ. В настоящее время широко внедряется механизированный способ проходки шурфов круглого сечения – дудок – с помощью специальных шурфопроходческих установок.

Недостатком шурфов является высокая стоимость и трудоемкость работ, особенно в скальных горных породах. В малоустойчивых породах стенки шурфов приходиться крепить. При проходке водонасыщенных пород организуют водоотлив. По окончании полевых работ шурфы ликвидируют аналогично скважинам (засыпка, трамбование).

Из открытых горных выработок и обнажений монолиты вырезают в форме куба или параллелепипеда со сторонами не менее 100 мм и не более 250 мм с помощью ножа и лопаты (рис. 2.1). Шурфы позволяют детально изучить геолого-литологический разрез участка, отобрать любые по размеру образцы грунтов и проводить опытные полевые работы.

Консервация образцов. С целью сохранения естественной влажности, отобранные монолиты и пробы подлежат немедленной консервации способом парафинирования. Монолит или керн обматывают двумя слоями марли, крупнозернистые и пористые грунты заворачивают в полиэтилен.

Транспортировка проб. Нарушенные образцы отправляют в лабораторию в жестких обоймах (металлических или пластмассовых банках). Открытые грани образцов закрывают герметичными крышками, горловину банки парафинируют. Если не требуется сохранить влажность, образцы помещают в мешочки или в ящики, снабдив двумя этикетками.

Хранение проб. Образцы хранят при температуре не менее 2ºС и не более 20ºС при относительной влажности не более 80 %. Монолиты грунтов текучепластичной и мягкопластичной консистенции хранят не более 45 дней со дня отбора до лабораторных испытаний. Образцы полутвердой и твердой консистенции можно хранить до 90 дней (при температуре выше 20ºС – до 15 дней).

 

 

20

20

Рис. 2.1. Отбор монолитов грунта:
1 – стенки шурфа; 2 – останец; 3 – монолит;

4 – место среза; 5 – вырезанный монолит; 6 – контейнер

Подготовка проб к исследованию. Для непосредственной подготовки пробы к анализу ее сокращают методом квартования.

Для этого из общей пробы воздушно-сухого грунта отбирают не менее 100 г мелко- и среднезернистых песков, не менее 400 г крупнозернистых песков и гравия, не менее 4 кг щебня и галечника. Грунт тщательно перемешивают и распределяют по ровной поверхности слоем около 0,5 см. Затем двумя взаимно перпендикулярными линиями разделяют на 4 равные части – квадранты. Два противоположных по диагонали квадранта оставляют в качестве сокращенной пробы, два других удаляют. Эти действия продолжают до тех пор, пока не остается необходимый объем грунта.

Показатели некоторых физических свойств грунтов могут определяться непосредственно в полевых условиях без отбора образцов с применением косвенных способов исследования, например, зондирования.

Также непосредственно в полевых условиях (визуально) можно предварительно определить вид грунта (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1

Определение вида грунта в полевых условиях (визуально)

 

Грунт	Ощущения при растирании в руке	Вид в лупу	Состояние в сухом виде
Глинистый	Песчаные частицы не чувствуются, комочки раздавливаются с большим трудом	Песчинок не видно	Очень твердый в кусках
Суглинистый	Чувствуются песчаные частицы. Отдельные комочки раздавливаются легче	Ясно видно присутствие песчинок на фоне тонкого грунта	Комья и куски менее твердые, при ударе молотком рассыпаются в мелочь
Суглинистый пылеватый	Песок не чувствуется, комочки раздавливаются сравнительно легко	Песка очень мало, видны тонкие пылеватые частицы	Комья и куски менее твердые, при ударе молотком рассыпаются в мелочь
Пылеватый	Производит впечатление сухой муки	Песка очень мало, пылеватых частиц очень много	Комья очень непрочные и легко рассыпаются
Супесчаный	Песчаные частицы преобладают, комочки раздавливаются без труда	Песчаные частицы преобладают над глинистыми и пылеватыми	Комья легко рассыпаются от давления руки
Песчаный	Глинистые частицы не чувствуются, рыхлая, несцементированная масса	Видны только песчаные частицы	Цементация отсутствует, сыпучий грунт

 

Наиболее приемлемыми для последующего использования в расчетах следует полагать показатели (характеристики) определений, произведенных для данных конкретных разновидностей грунтов.

Однако за неимением результатов таких определений можно воспользоваться результатами испытаний аналогичных грунтов, но достаточно близких к тем, которые залегают в основании сооружения. Можно иногда воспользоваться результатами, полученными в данной местности и в другое время ранее или, наконец, результатами других статистических обобщений. Все это зависит от важности, назначения и категории объекта.

Вследствие неоднородности любого рассматриваемого слоя грунта и ошибок при измерениях во время экспериментального определения характеристик грунта эти величины находят многократно, и полученные результаты обрабатывают методами математической статистики.

Минимально в математической статистике принято считать достаточным 6 определений. Однако чем большее количество результатов определений введено в формулу для статистического нахождения среднего значения, тем «точнее» оказывается результат.

Нормативными считаются средние значения показателей или характеристик, определяемые как среднеарифметические. Если характеристику обозначить через X, а X_i – значение, полученное в одном из опытов, число которых n, то среднее значение будет Чтобы использовать в расчете характеристику, следует найти ее расчетное значение , где γ _n – безразмерный коэффициент надежности. Для физических характеристик грунта коэффициент надежности часто принимается γ _n =1.

При переходе к расчетному значению учитывается, что среднее значение вследствие неоднородности грунта и ограниченного числа определений может содержать ошибку, которая должна быть исключена. Ошибки могут быть прямыми, связанными с применением неправильной методики определения, или плохой аппаратурой – это ошибки систематические. Для грунтов характерно свойство флуктуации, то есть случайных отклонений величин характеристик, которые характеризуют систему из большого числа элементов, от их среднего значения. Ошибки, точнее отскоки, могут быть большими. Такие ошибки называются грубыми, и эти величины исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Ошибки e_i величин, включаемых в рассматриваемую совокупность, из которой исключены большие случайные отскоки, устанавливаются как разности . Относительные ошибки вычисляются по формуле . Средние значения ошибок вычисляются либо как , либо равные , как среднеквадратичные отклонения.

При испытаниях следует выполнять требования соответствующих государственных стандартов, если они имеются, или различных ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования.

 

2.2. Основные, производные и классификационные
характеристики грунта

Физические характеристики грунтов позволяют количественно оценить их свойства и не зависят от применяемых методов расчета грунтовых сред. Ряд физических характеристик грунтов может быть получен, исходя из представления грунта как многокомпонентной среды, в общем случае состоящей из твердых частиц, жидкости (воды) и газа (рис. 2.2).

 

Н2О

Gw     Gs

 

Рис. 2.2. Модель грунта:

V – объем образца грунта; V_s – объем минеральных частиц грунта в объеме V;
V_n – объем пор в объеме V; V_w – объем воды в порах; G – масса образца грунта; G_s – масса частиц грунта (скелета); G_w – масса содержащейся в порах воды;
G_w,р – то же в заданном состоянии грунта на границе пластичности (раскатывания); G_w,L – то же в заданном состоянии грунта на границе текучести

 

Различают физические, прочностные и деформационные характеристики грунта. Физические характеристики подразделяются на основные, производные и классификационные. Основными являются характеристики, определяемые из опыта. Остальные физические характеристики являются расчетными.

Введем следующие условные обозначения физических величин, показанных на рис. 2.2; ρ_w, γ_w – плотность и удельный вес воды; g – ускорение свободного падения.

Данные о свойствах грунтов для наглядности представим в табличной форме (табл. 2.2, 2.3, 2.4).

Таблица 2.2

Основные физические характеристики грунта

 

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Удельный вес грунта	γ	кН/м3	γ = (G / V) ∙ g
Удельный вес частиц грунта	γ s	кН/м3	γ s = (Gs / Vs)∙ g
Влажность грунта	W	безразмерна	W = (G – Gs)/ Gs = Gw / Gs
Влажность на границе пластичности (раскатывания)	WP	безразмерна	WР= Gw,p / Gs
Влажность на границе текучести	WL	безразмерна	WL = Gw,,L / Gs

 

Таблица 2.3

Производные физические характеристики грунта

 

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Удельный вес сухого грунта	γ d	кН/м3	γ d = γ / (1+ W)
Коэффициент пористости	e	безразмерна	e = Vn / Vs = (ρ s – ρ d) / ρ d = ρ s / ρ d – 1
Пористость	n	безразмерна	n = Vn / V = (ρ s – ρ d) / ρ s = 1 – ρ d / ρ s
Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды	gовзв	кН/м3	gовзв =

 

Таблица 2.4

Классификационные физические характеристики грунта

 

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Число пластичности	Ip	безразмерна	Ip = WL – Wp
Показатель текучести	IL	безразмерна	IL = (W – Wp) / (WL – Wp) = = (W – Wp) / Ip
коэффициент водонасыщения (степень влажности)	Sr	безразмерна	Sr = Vw / Vn = (ρ s / ρ w)∙(W / e)
Полная влагоемкость	Wsat	безразмерна	Wsat = (pw / ps)∙ e (соответствует Sr = 1)
Коэффициент относительной плотности (индекс плотности)	D	безразмерна	D = , e max– коэффициент пористости грунта в max рыхлом его состоянии; e min– коэффициент пористости грунтов в min рыхлом его состоянии
Относительная деформация просадочности		безразмерна	где  и  – высота образца соответственно природной влажности и после его полного водонасыщения (w = w (sat)) при давлении p, равном вертикальному напряжению на рассматриваемой глубине от внешней нагрузки и собственного веса грунта ;  – высота того же образца природной влажности при

 

В формулах плотность воды p_w обычно принимают равной 1 г/см³ (или 1 т/м³), удельный вес γ_w равным 10 кН/м³. Строго говоря, это не соответствует действительности, так как плотность прочносвязанной воды существенно больше единицы. Однако методика определения p_w с учетом плотности связанной воды, большей по сравнению со свободной, пока еще не разработана. Кроме того, при малом количестве прочносвязанной воды в грунте погрешность при расчете небольшая.