Основные характеристики грунта, определяющие его свойства

В данном разделе содержатся теоретические обобщения сведений о свойствах грунтов, приведенных в курсе "Инженерные изыскания в строительстве". 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: показанные на рис. 1.2; r_w, g_w – плотность и удельный вес воды; g – ускорение свободного падения.

Рис. 1.2. 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

Данные о свойствах грунтов для наглядности представим в табличной форме.

Таблица 1.1
Основные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность грунта	r	кг/м³	r = G/ V
Удельный вес грунта	g	кН/м³	g = r × g
Плотность частиц грунта	r_s	кг/м³	r_s = G_s/ V_s
Удельный вес частиц грунта	g_s	кН/м³	g_s = r_s × g
Влажность грунта	W	безразмерна	W = (G – G_s)/ G_s = G_w / G_s
Влажность на границе пластичности	W_p	безразмерна	W_p = G_w_,_p / G_s
Влажность на границе текучести	W_L	безразмерна	W_L = G_w_,_L / G_s

Таблица 1.2
Производные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность сухого грунта	r_d	кг/м³	r_d = G_s / V = r / (1+W)
Удельный вес сухого грунта	g_d	кН/м³	g_d = r_d × g = g / (1+W)
Коэффициент пористости	e	безразмерна	e = V_n / V_s = (r_s - r_d) / r_d = r_s / r_d - 1
Пористость	n	безразмерна	n = V_n / V = (r_s - r_d) / r_s = 1 - r_d / r_s

Таблица 1.3
Классификационные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Число пластичности	I_p	безразмерна	I_p = W_L - W_p
Показатель текучести	I_L	безразмерна	I_L = (W - W_p) / (W_L - W_p) = = (W - W_p)/ I_p
Степень влажности	S_r	безразмерна	S_r = V_w / V_n = (r_s / r_w)× (W/e)
Полная влагоемкость	W_sat	безразмерна	W_sat = (r_w / r_s)× e (соответствует S_r = 1)

Приведенные в таблицах формулы для вычисления производных и классификационных физических характеристик грунта получены в результате преобразования выражений, являющихся определениями этих характеристик:

; (1.1)

; (1.2)

; (1.3)

. (1.4)

Разделение физических характеристик грунта на производные и классификационные весьма условно, так как и те и другие одновременно являются и производными и классификационными. По величине плотности сухого грунта можно делать предварительные выводы о пригодности данного грунта для целей строительства. Грунты с плотностью сухого грунта в пределах 1100–1300 кг/м³, как правило, являются непригодными для целей строительства. Прочным грунтам соответствует плотность в сухом состоянии в пределах 1600–1800 кг/м³. Коэффициент пористости и пористость позволяют более дифференцированно оценить пригодность грунтов для целей строительства. Например, при значении коэффициента пористости больше единицы грунты, как правило, непригодны для целей строительства. Прочным грунтам соответствуют значения коэффициентов пористости в пределах 0,4‑0,6. Кроме этого, коэффициент пористости и показатель текучести являются входными параметрами в нормативные таблицы, позволяющие определять для предварительных расчетов прочностные и деформационные характеристики грунта. По числу пластичности устанавливают вид пылевато-глинистого грунта:

Значение числа пластичности	Наименование вида грунта
0,01 > I_p	песчаный грунт
0,01 £ I_p < 0,07	супесь
0,07 £ I_p < 0,17	суглинок
I_p ³ 0,17	глина

Для большей наглядности классификацию вида грунта по числу пластичности удобно представить в форме диаграммы:

По показателю текучести устанавливают состояние (консистенцию) грунта. Различают состояния: твердое (0 > I_L); пластичное (0 £ I_L < 1); текучее (I_L ³ 1). Пластичное состояние суглинков и глин подразделяют на полутвердое (твердопластичное), тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное. Прочные грунты находятся, как правило, в состоянии от твердого до тугопластичного. Ниже приводится диаграмма, позволяющая установить состояние пылевато-глинистого грунта по показателю текучести:

Текучее и текучепластичное состояние грунта делают его непригодным для целей строительства. Если полная влагоемкость грунта W_sat превышает его влажность на границе текучести W_L, это свидетельствует о непригодности грунта для целей строительства при потенциальной подтопляемости территории. Физические характеристики грунта используются для анализа инженерно-геологических условий площадки строительства с выводами о пригодности грунтов, слагающих сжимаемую толщу в основании фундаментов.