Плотность грунтов. 
Грунтоведение

Плотность - физическое свойство грунтов, количественно оцениваемое величиной отношения их массы к занимаемому объему. Физические свойства, характеризующие взаимосвязь между массой и объемами горных пород или минералов, называются плотностными. Плотность используется как прямой расчетный показатель при вычислении бытового давления, давления на подпорную стенку, при расчете устойчивости оползневых склонов и откосов, осадки сооружений, распределения напряжений в грунтах основания под фундаментами, при определении объема земляных работ и др.

При инженерно-геологических исследованиях используют следующие характеристики: плотность твердых частиц грунта, плотность грунта, плотность сухого грунта, плотность грунта под водой, плотность скелета высушенного грунта и др. Наиболее употребительными являются первые гри показателя.

Плотность грунта р, г/см³, кг/м³, или плотность влажного грунта — это масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенный сложением:

Для определения плотности грунтов применяют прямые и косвенные методы. К прямым относятся методы, основанные на непосредственном измерении массы и объема грунта, как правило, небольших его образцов. Методы определения плотности в лабораторных условиях, согласно действующим нормативным документам [41], приведены в табл. 4.5. Их недостатком является малый объем грунта в измеряемых пробах (получение «точечных» значений) и необходимость их извлечения из массива. Косвенные методы основаны на определении плотности грунта без непосредственных измерений массы и объема грунтов. К ним в первую очередь следует отнести пенетрационные и ядерные (гаммалучевые) методы, позволяющие определить плотность грунтов непосредственно в массиве. Они весьма производительны, имеют достаточную для практических целей точность и могут применяться при однократных и многократных определениях, что важно при стационарных наблюдениях.

Таблица 4.5.

Методы определения характеристик плотности грунтов [41]

Определение плотности методом режущего кольца [44]. При применении метода режущею кольца выбирают режущее кольцо-пробоотборник, которое смазывают е внутренней стороны тонким слоем вазелина или консистентной смазки. Верхнюю зачищенную плоскость образца грунта выравнивают, срезая излишки ножом, устанавливают на ней режущий край кольца и винтовым прессом или вручную через насадку слегка вдавливают кольцо в грунт, фиксируя границу образца для испытаний. Затем грунт снаружи кольца обрезают на глубину 5… 10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик диаметром на 1…2 мм больше наружного диаметра кольца. Периодически, но мере срезания грунта, легким нажимом пресса или насадки насаживают кольцо на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт подрезают на 8…10 мм ниже режущего края кольца и отделяют его. Грунт, выступающий за края кольца, срезают ножом, зачищают поверхность грунта вровень с краями кольца и закрывают торцы пластинками. Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают и рассчитывают плотность с точностью 0,01 г/см³.

Метод определения плотности грунта взвешиванием в воде парафинированных образцов [44] используется для определения объема небольших монолитов в лабораторных условиях. Образец грунта вырезается объемом не менее 50 см³, ему придается округлая форма, после чего его обвязывают тонкой прочной нитью со свободным концом длиной 15…20 см, имеющим петлю для подвешивания к серьге весов.

Обвязанный нитью образец грунта взвешивают и покрывают парафиновой оболочкой, погружая его на 2…3 секунды в нагретый до температуры 57…60 °С парафин. При этом пузырьки воздуха, обнаруженные в застывшей парафиновой оболочке, удаляют, прокалывая их и заглаживая места проколов нагретой иглой. Эту операцию повторяют до образования плотной парафиновой оболочки.

Чтобы избежать растрескивания парафиновой оболочки, парафин должен накладываться как только он расплавится. Парафинирование образца должно проводиться очень осторожно. Углубления в поверхности, включая впадины от выпавших камней, должны покрываться расплавленным парафином при помощи кисти.

Когда образец помещен в воду, необходимо внимательно следить, чтобы пузырьки под ними не задерживались. Охлажденный запарафинированный образец взвешивают перед погружением в воду, а затем в сосуде с водой. Для этого над чашей весов устанавливают подставку для сосуда с водой так, чтобы исключить ее касание к чаше весов (или снимают подвес, уравновесив весы дополнительным грузом). К коромыслу подвешивают образец и опускают в сосуд с водой. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду. При этом образец не должен касаться дна и стенок сосуда. Когда образец помещен в воду, нужно внимательно следить, чтобы воздушные пузырьки не задерживались под образцом.

Допускается применять метод обратного взвешивания: на чашу циферблатных весов устанавливают сосуд с водой и взвешивают его. Затем в жидкость погружают образец, подвешенный к штативу, и вновь взвешивают сосуд с водой и погруженным в нее образцом. Весы должны поддерживаться подставкой или платформой над контейнером так, чтобы было достаточное свободное расстояние между подставкой и верхом контейнера (рис. 4.8). Для определения плотности могут также применяться денситометры. Контейнер должен быть заполнен водой почти до верха, а испытываемый образец полностью погружаться в воду, чтобы подвеска находилась в воде, не касаясь ни дна, ни стенок контейнера.

Рис. 4.8. Метод определения плотности взвешиванием в воде [180].

Взвешенный образец вынимают из воды, промокают фильтровальной бумагой и взвешивают для проверки герметичности оболочки. Если масса образца увеличилась более чем на 0,02 г по сравнению с первоначальной, образец следует забраковать и повторить испытание с другим образцом.

Плотность грунта р, г/см³, вычисляют по формуле.

где m— масса образца грунта до парафинирования, г; m — масса парафинированного образца грунта, г; m2 — результат взвешивания образца в воде (разность масс парафинированного образца и вытесненной им воды), г; р_р — плотность парафина, принимаемая равной 0,900 г/см, p_w — плотность воды при температуре испытаний, г/см³.

При применении метода обратного взвешивания плотнос ть грунта вычисляют по формуле.

где m — масса образца грунта до парафинирования, г, р_р — плотность парафина, принимаемая равной 0,900 г/см³; p_w — плотность воды при температуре испытаний, г/см³, ту — масса сосуда с водой, г; пи — масса сосуда с водой и погруженным в нее парафинированным образцом, г.

Для плотных скальных и полускальных грунтов, пористость которых составляет доли процента или 1…2%, объемный вес можно определять без парафинирования [76].

Метод вытеснения жидкости. Металлический контейнер должен быть установлен на основании и наполнен водой до уровня, выше, чем уровень, поддерживаемый сифоном. Приемник для вытесненной воды устанавливается ниже выходного конца сифона.

Образец грунта и приемник должны быть взвешены с точностью до 0,1 г. Все поверхностные пустоты должны быть заполнены нерастворимым в жидкости материалом. Впадины от выпавших камней не должны заполняться. Если необходимо, образец может быть полностью покрыт повторным погружением в расплавленный парафин. Запарафинированный образец нужно остудить и взвесить с точностью до 0,1 г.

Рис. 4.9. Метод определения плотности вытеснением жидкости (130].

Образец грунта должен быть полностью погружен в контейнер, кран на сифоне должен быть открыт, чтобы позволить стечь вытесненной жидкости в приемник, затем приемник с жидкостью должен бы гь взвешен с точнос тью до 0,1 г.

Представительную часть образца, свободную от парафина, пластилина или шпаклевки отбирают для определения влажности.

Метод взвешивания образца в нейтральной жидкости [44] применяется для определения плотности мерзлых тонкодисперсных грунтов с тонкослоистой и мелкосетчатой криогенными текстурами при толщине минеральных прослоек не более 0,5 см. Образец взвешивают в сосуде емкостью 1000 см³, на две трети заполненном нейтральной жидкостью. В процессе работы измеряется температура жидкости и ее плотность, с коромысла технических весов снимают левую дужку с чашкой и уравновешивают весы мешочком с дробью, подвешенным на крючок левой дужки. Пробу мерзлого грунта объемом нс менее 50 см³ перевязывают капроновой ниткой, подвешивают к левой серьге весов и взвешивают. На подставку весов с левой стороны помещают сосуд с нейтральной жидкостью, пробу мерзлого грунта пргружают в жидкость на глубину не менее 5…7 см и вновь взвешивают. Проба мерзлого грунта при взвешивании нс должна соприкасаться с дном и стенками сосуда. После взвешивания мерзлого монолита в воздухе и затем в нейтральной жидкости определяют общую плотность мерзлого грунта. Точность измерения плотности составляет 0,02 г/см³.

Нейтральная жидкость, используемая дня определения объема грунта, должна иметь температуру замерзания ниже температуры замерзания этого грунта, не реагировать с грунтом и нс растворять лед. Обычно в качестве нейтральной жидкости применяются керосин, глицерин, толуол и лигроин. Плотность этих жидкостей устанавливается ареометром.

Метод обмера образцов правильной геометрической формы [86] (объемный метод) применяется для определения плотности скальных и мерзлых грунтов. При отборе монолита ему придают определенную форму, позволяющую установить объем грунта в ненарушенном сложении. Отобранная проба грунта взвешивается и устанавливается общая плотность грунта, а после его высушивания до постоянного веса — плотность скелета грунта. Обычно при определении плотности грунта монолитам придают форму куба или параллелепипеда. Для определения приближенного значения р по монолитам (объемом не менее 50 см³), извлеченным из буровых скважин, измеряется их диаметр, высота (с точностью до 0,01 см) и масса.

Рис. 4.10. Определение плотности грунтов методом замещения объема: а — с помощью полиэтилена, выстеленного в лунке: б-е помощью пескозагрузочного аппарата: в — аппаратом с резиновым баллоном.

Метод лунки (объемный метод) [38] применяют для определения общей плотности мерзлых дисперсных пород с массивной и шлировой криогенными текстурами и для крупнообломочных пород (рис. 4.10). Метод используется при работе в открытых горных выработках. Дно выработки выравнивают и зачищают. В дне шурфа делают углубление — лунку размером не менее 30 ^х 30 ^х 30 см. Выбранный из лунки грунт взвешивают на чашечных весах с точностью до 1,0 г. После отбора грунта дно лунки выстилается синтетической пленкой (рис. 4.10, а), затем лунку заполняют водой или засыпают сухим песком с размером зерен от 0,5 до 3,0 мм. Мерный песок должен быть однородным и чистым. Измеряют объем песка или объем воды, необходимый для заполнения лунки, и таким образом устанавливают объем извлеченного из лунки грунта. Определив массу грунта и его объем, вычисляют общую плотность грунта.

Радиоизотопные методы применяются, в основном, для измерения плотности грунтов в условиях естественного залегания. Существует два метода измерения плотности с использованием гамма-излучения: гаммаскопический метод и метод рассеянного гаммаизлучения. В качестве источников гамма-излучения используются главным образом изогоны цезий-137 и кобалы-60.

Гаммаскопический метод основан на ослаблении интенсивности пучка гаммаквантов в зависимости от плотности вещества, через которое проходит пучок. На практике используются три варианта гаммаскопического метода: а — источник и детектор гаммаизлучения размещаются в параллельных скважинах в грунте; б — детектор излучения находится на поверхности, а источник — в грунте; в — источник и детектор излучения находятся по обе стороны от исследуемого объекта (образца, монолита и т. п.) [86]. Гаммаскопический метод применим для измерения плотности грунтов до глубины 1,5…2,0 м.

Метод рассеянного гамма-излучения [86] используется для измерений плотности грунтов в скважинах. Если в скважину поместить источник гамма-квантов и на некотором расстояния от него детектор, то часть гамма-квантов, попадающих из скважины в грунт за счет рассеяния на электронах атомов грунта, будет возвращаться в скважину и регистрироваться детектором. Для измерения плотности радиоизотопными методами отечественной промышленностью выпускались радиоизотопный влагоплотномер УР-70 и поверхностно-глубинный плотномер ППГР-1, предназначенные язя скважинных измерений до глубины 30 м. Для измерения плотности верхнего слоя грунта до глубины 0,3 м используется плотномер типа ИОМР-2. Точность измерения плотности колеблется в пределах ±(0,02…0,04) г/см³ в зависимости от типа прибора. Время измерения в одной точке не превышает 3 минут.

В целом, величина плотности дисперсных грунтов колеблется от 1,30 до 2,20 г/см³. Грунты, характеризующиеся наличием жестких кристаллизационных связей между частицами, обладают большой плотностью, величина которой при малой пористости приближается к значениям у твердых частиц. Так, плотность магматических пород изменяется в пределах 2,50…3,40 г/см³ (возрастает от кислых пород к основным и ультраосновным); аргиллитов и алевролитов — 2,20—2,55; известняков — 2,40—2,65; мергелей — 2,10…2,60; песчаников — 2,10—2,40 г/см³. Плотность обводненных торфов из-за малой плотности скелета изменяется от 1,02 до 1,10 г/см³.

Величина плотности грунта зависит от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости): с увеличением содержания тяжелых минералов плотность грунта увеличивается, а при увеличении содержания органических веществ — уменьшается; с увеличением влажности плотность грунта возрастает: максимальной при данной пористости она будет в случае полного заполнения пор водой; с увеличением пористости плотность грунта уменьшается.

Плотность значительной части осадочных пород в большей степени зависит от их пористости и влажности и в гораздо меньшей степени — от минерального состава, что объясняется широкими пределами изменения пористости (влажности и газонасыщенности) этих пород, резким отличием плотности твердой, жидкой и газообразной составляющих и сравнительно постоянной плотностью наиболее распространенных породообразующих минералов. Величина же плотности грунта магматических, метаморфических и в значительной части хемогенных пород в основном определяется их минеральным составом, гак как пористость этих пород обычно незначительна [50].

Плотностью твердых частиц грунта p_s, г/см³ или кг/м³, называют массу твердой компоненты (представленной минеральной или органической составляющей) в единице объема грунта, представленного только твердой компонентой:

Величина плотности твердых частиц грунта определяется минеральным составом, присутствием органических и органо-минеральных веществ и представляет собой средневзвешенную плотность этих компонент грунта при отсутствии пустот и влага.

Определение плотности твердых частиц грунта пикнометрическим методом [44]. Образец грунта в воздушно-сухом состоянии размельчают в фарфоровой ступке, отбирают методом квартования среднюю пробу массой 100…200 г и просеивают сквозь сито с сеткой № 2, остаток на сите растирают в ступке и просеивают сквозь то же сито. Из перемешанной средней пробы берут навеску грунта из расчет 15 г на каждые 100 мл емкости пикнометра и высушивают до постоянной массы. Навеску заторфованного грунта или торфа следует отбирать из средней пробы из расчета 5 г сухого грунта на каждые 100 мл емкости пикнометра, которая в этом случае должна быть не менее 200 мл. Допускается использовать грунт в воздушно-сухом состоянии, определив его гигроскопическую влажность.

Пикнометр, наполненный на 1/3 дистиллированной водой, взвешивают. Затем через воронку в него всыпают высушенную пробу грунта, снова взвешивают, взбалтывают и ставят кипятить на песчаную баню. Продолжительность спокойного кипячения (с момента начала кипения) должна составлять: для песков и супесей — 0,5 ч, для суглинков и глин — 1 ч. После кипячения пикнометр следует охладить до комнатной температуры и долить дистиллированной водой до мерной риски на горлышке, чтобы низ мениска совпадал с ней. Пикнометр вытирают снаружи и взвешивают. Далее выливают содержимое пикнометра, наливают в него дистиллированную воду, выдерживают в ванне с водой при той же температуре и взвешивают.

Плотность частиц грунта />" г/см вычисляют по формуле.

где mo — масса сухого грунта, г; m1 — масса пикнометра с водой и грунтом после кипячения при температуре испытания, г; m2 — масса пикнометра с водой при той же температуре, г; р_н, — плотность воды при той же температуре, г/см³.

В случае использования грунта в воздушно-сухом состоянии w₀ вычисляют по формуле.

где m — масса пробы воздушно-сухого грунта, г; р— гигроскопическая влажность грунта, %.

При определении p, грунта следует учитывать: возможность растворения простых солей в процессе определения, в результате чего получаются заниженные значения p_s во избежание этого при определении удельного веса засоленных грунтов вода заменяется нейтральными жидкостями (керосин, бензин, толуол и др.); возможность сильного сжатия слоя воды вокруг коллоидальных частиц глин, вызываемого молекулярными силами притяжения, в результате чего получаются завышенные значения; для предотвращения этого следует применять жидкости с небольшим поверхностным натяжением (толуол, ксилол и др.); возможность неполного удаления адсорбированного на поверхности частиц воздуха, в результате чего получаются заниженные значения.

В соответствии с плотностью наиболее распространенных породообразующих минералов плотность твердых частиц большинства грунтов изменяемся от 2,50 до 2,80 г/см³. Она увеличивается с повышением содержания в грунтах тяжелых минералов, поэтому у основных и ультраосновных пород плотность существенно выше (3,00…3.74 г/см³), чем у кислых (например, у гранитов 2,63…2,75 г/см³, чаще 2,65…2,67 г/см³). В табл. 4.6 приведены ориентировочные значения плотностей частиц дисперсных грунтов, не содержащих водорастворимых солей и органических веществ. Указанные средние значения обычно принимаются в отсутствие прямых определений плотности твердых частиц для расчета серии показателей свойств грунтов, в частности пористости и коэффициента пористости.

Таблица 4.6.

Значения плотности частиц дисперсных грунтов

Наличие органических веществ резко снижает плотность твердых частиц грунта, поскольку их плотность невелика по сравнению с минеральной компонентой. Именно поэтому плотность твердой компоненты торфов, заторфованных грунтов и почв существенно ниже по сравнению с минеральными грунтами [50].

У торфов p_s изменяется от 1,20 до 1,89 г/см³, у нормальнозольных торфов — до 1,84 г/см ', у заторфованных грунтов — до 2.08 г/см³. Более часто встречаются значения р₃ в интервале от 1,4 до 1,6 г/см', в расчетах принимается 1,5 г/см'. Минимальные значения показателя при близких значениях зольности отмечены у торфов древесной группы и торфов. содержащих древесные остатки, максимальные — у торфов моховой группы [70].

В связи с трудоемкостью определения плотность частиц торфа можно рассчитать по формуле [69].

Учитывая, что плотность органических частиц p_sор_Г = 1,5 г/см³, плотность минеральных частиц в среднем р_в*ш = 2,65 г/см³, то формула упрощается:

С ростом содержания солей в дисперсных засоленных грунтах плотность твердых частиц становится меньше. Нормативные значения плотности частиц грунтов в зависимости от характера засоления приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7.

Нормативные точения плотности частиц засоленных грунтов [111]

Плотностью скелета грунта p_d, г/см³ или кг/м³, называют массу твердой компоненты в единице объема грунта, высушенною при температуре 105 °C, при естественной (ненарушенной) структуре:

Величина плотности скелета грунта используется для вычисления пористости, коэффициента пористости, а также для характеристики степени уплотненности глинистых грунтов в насыпных сооружениях.

Плотность скелета грунта определяется экспериментально или чаше вычисляется по величинам плотности грунта (р) и влажности (и-) по формуле:

По плотности скелета p_d все грунты подразделяют на разновидности (табл. 2.2) [34].

Рис. 4.11. Идеальные модели укладки частиц рыхлых и плотных песчаных грунтов.

Степень плотности грунта Id- При строительстве насыпей, дамб обвалования, земляных плотин и других насыпных земляных сооружений необходимо знать плотность грунтов при рыхлом и плотном сложении. Песчаные грунты могут существенно различаться по степени плотности или характеру сложения. Например, в зависимости от характера укладки шаров одинакового размера пористость системы может меняться от 47,64% при наиболее рыхлой кубической укладке до 25,95% при наиболее плотной тетраэдрической укладке (рис. 4.11). В реальных песчанопылеватых грунтах из-за различия размеров их частиц пористость меняется в более широких пределах — от 8… 10 до 80%.

Для песчаных грунтов, для которых не всегда возможно практически определить плотность скелета при естественной структуре, часто проводят ее определение на воздушно-сухих образцах с нарушенным сложением при двух состояниях: предельно-рыхлом и плотном.

Для количественной оценки плотности сложения песков используется показатель относительной плотности или степень плотности {Id), определяемый по формуле.

где е — коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении; emах — коэффициент пористости в предельно плотном сложении; e min — коэффициент пористости в предельно рыхлом сложении.

Для подсчета I_D необходимо иметь данные результатов полевых определений величины е и для этого Грунта В лабораторных условиях определить emах и e min. Для нахождения e min обычно используют рыхлую отсыпку грунта в мерный сосуд, а для определения emах — динамические методы уплотнения грунта в мерном сосуде.

Но степени плотности Id пески подразделяют согласно табл. 2.3 [34]. При //> = 0 грунт находится в самом рыхлом состоянии, а при Id = 1 грунт имеет самое плотное сложение.

Различные по зерновому составу грунты имеют существенно отличные значения emах и e min, причем с увеличением крупности они уменьшаются. На предельные значения коэффициентов пористости нt меньшее влияние оказывает форма частиц. С увеличением окатанности и сферичности они уменьшаются, поэтому использование в качестве характеристики плотности сложения величины относительной плотности Id, учитывающей как зерновой состав, так и форму частиц, дает наиболее объективный критерий плотности сложения.

Для определения характеристик уплотненного грунта применяют метод определения максимальной плотности, который заключается в установлении зависимости плотности скелета грунта от его влажности при трамбовании образцов с постоянной затратой работы на их уплотнение и в определении по этой зависимости максимальной величины плотности скелета грунта (рмах). Влажность, при которой достигнута максимальная плотность скелета грунта, является оптимальной влажностью wопт.

Метод лабораторного определения максимальной плотности [28] (метод стандартного уплотнения) заключается в установлении зависимости плотности сухого грунта от его влажности при уплотнении образцов грунта с постоянной работой уплотнения и последовательным увеличением влажности грунта.

В состав установки (рис. 4.12) для испытания грунта методом стандартного уплотнения должны входить: устройство для механизированного или ручного уплотнения грунта падающим с постоянной высоты грузом; форма для образца грунта. Конструкция устройства для уплотнения грунта должна обеспечивать падение груза массой (2500 ± 25) г по направляющей штанге с постоянной высоты (300 ± 3) мм на наковальню диаметром (99,8 ± 0,2) мм. Отношение массы груза к массе направляющей штанги с наковальней должно быть не более 1,5. При механизированном способе уплотнения в состав устройства должен входить механизм подъема груза на постоянную высоту и счетчик числа ударов. Установка должна размещаться на жесткой горизонтальной плите (бетонной или металлической) массой не менее 50 кг. Отклонение поверхности от горизонтали не должно быть более 2 мм/м.

Форма для образца грунта должна состоять из цилиндрической части, поддона, зажимною кольца и насадки. Цилиндрическая часть формы должна иметь высоту (127,4 ± 0,2) мм и внутренний диаметр (100,0 + 0,3) мм. Временное сопротивление металла цилиндрической части формы должно быть не менее 400 МПа. Цилиндрическая часть формы может быть цельной или состоящей из двух разъемных секций.

Для испытания грунта методом стандартного уплотнения используют образцы грунта нарушенного сложения, отобранные из горных выработок (шурфов, котлованов, буровых скважин и г. и.), обнажений или складируемых массивов.

Необходимая для подготовки пробы грунта масса образца грунта нарушенною сложения при естественной влажности должна быть не менее 10 кг при наличии в грунте частиц крупнее 10 мм и не менее 6 кг — при отсутствии частиц крупнее 10 мм. Представленный для испытания образец грунта нарушенного сложения высушивают при комнаткой температуре или в сушильном шкафу до воздушно-сухого состояния. Высушивание в сушильном шкафу несвязных минеральных грунтов допускается производить при температуре не более 100 °C, связных — не более 60 °C. В процессе сушки грунт периодически перемешивают. Размельчают агрегаты грунта (без дробления крупных частиц) в растирочном устройстве или в фарфоровой ступке.

Рис. 4.12. Приборы для стандартного уплотнения грунтов: а — прибор ООО «НПО «Геотек «» (140]); б — прибор Союздорнии (с двумя стаканами); в — схема прибора Союздорнии f28f: I — поддон; 2 — разъемный цилиндр емкостью 1000 см*:

3 кольцо; 4 насадка; 5 наковальня: 6 груз массой 2.5 кг; 7 направляющий стержень; 8 — ограничительное кольцо; 9 — зажимные винты

Грунт взвешивают и просеивают через сита с отверстиями диаметром 20 мм и 10 мм. При этом вся масса грунта должна пройти через сито с отверстиями диаметром 20 мм. Затем взвешивают отсеянные крупные частицы. Если масса частиц грунта крупнее 10 мм составляет 5% и более, дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито 10 мм. Если масса частиц грунта крупнее 10 мм составляет менее 5%, производят дальнейшее просеивание грунта через сито с отверстиями диаметром 5 мм и определяют содержание частиц крупнее 5 мм. В этом случае дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито 5 мм.

Из отсеянных крупных частиц отбирают пробы для определения их влажности и средней плотности твердых частиц. Из грунта, прошедшею через сито, отбирают пробы для определения его гигроскопической влажности. Вычисляют содержание в грунте крупных частиц К, %, с точностью 0,1% по формуле.

(4.1).

где mц — масса отсеянных крупных частиц, г; w_g — влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %; т_р — масса образца грунта в воздушно-сухом состоянии, г; ит. — влажность отсеянных крупных частиц, %.

Из просеянною грунта отбирают методом квартования пробу грунта для испытания (/Ир') массой 2500 г. Допускается проводить весь цикл испытаний с использованием одной отобранной пробы. Отобранную пробу помещают в металлическую чашку для испытаний.

Количество воды Q, г, для доувлажиения отобранной пробы до влажности первого испытания рассчитывают по формуле.

(4.2).

где m_р' — масса отобранной пробы, г; w — влажность грунта для первого испытания, назначаемая по габл. 4.8, %; w_g — влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %.

Таблица 4.8.

Значения влажности грунта для первого испытания

В отобранную пробу грунта за несколько приемов вводят рассчитанное количество воды, перемешивая грунт металлическим шпателем, затем переносят пробу грунта из чашки в эксикатор или плотно закрываемый сосуд и выдерживают ее при комнатной температуре не менее 2 ч для несвязных грунтов и не менее 12 ч для связных грунтов.

Цилиндрическую часть формы (заранее взвешенную) устанавливают на поддон, не зажимая ее винтами, устанавливают зажимное кольцо на верхний бортик цилиндрической части формы, зажимают цилиндрическую часть формы попеременно винтами поддона и кольца, протирают внутреннюю поверхность техническим вазелином. Собранную форму устанавливают на плиту основания и проверяют сносность направляющей штанги и цилиндрической части формы и свободный ход груза по направляющей штанге.

Испытание проводят последовательно увеличивая влажность грунта испытываемой пробы. При первом испытании влажность грунта должна соответствовать значению, установленному в табл. 4.11. При каждом последующем испытании влажность грунта следует увеличивать на 1…2% для несвязных грунтов, на 2…3% - для связных грунтов.

Количество воды для увлажнения испытываемой пробы определяют по формуле (4.2), принимая в ней за w_g и w соответственно влажности при предыдущем и очередном испытаниях.

Испытание пробы грунта проводят в следующем порядке: пробу переносят из эксикатора в металлическую чашку и тщательно перемешивают; слой грунта толщиной.

5. .6 см загружают в собранную форму из пробы и слегка уплотняют рукой его поверхность. Уплотнение производят 40 ударами груза с высоты 30 см, но наковальне, зафиксированной на направляющей штанге. Аналогичную операцию производят с каждым из трех слоев грунта, последовательно загружаемых в форму. Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего уплотненного слоя взрыхляют ножом на глубину 1. .2 мм. Перед укладкой третьего слоя на форму устанавливают насадку; после уплотнения третьего слоя снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта нс должна быть более 10 мм. Если выступающая часть грунта превышает 10 мм, необходимо выполнить дополнительное число ударов из расчета один удар на 2 мм превышения.

Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления, вследствие выпадения крупных частиц, заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом.

Взвешивают цилиндрическую часть формы с уплотненным грунтом (mі) и вычисляют плотность грунта р_{, г/см³, по формуле.

і де m, — масса цилиндрической части формы с уплотненным грунтом, г; m, — масса цилиндрической части формы без грунта, г; V — вместимость формы, см'.

Уплотненный образец грунта извлекают из цилиндрической части формы, при этом из верхней, средней и нижней частей образца отбирают пробы для определения влажности грунта. Извлеченный из формы грунт присоединяют к оставшейся в чашке части пробы, измельчают и перемешивают. Размер агрегатов не должен превышать наибольшего размера частиц испытываемого грунта.

После добавления воды грунт тщательно перемешивают, накрывают влажной тканью и выдерживают не менее 15 мин для несвязных грунтов и не менее 30 мин — для связных грунтов. Второе и последующие испытания грунта следует проводить в соответствии с порядком, изложенным ранее.

Испытание следует считать законченным, когда с повышением влажности пробы при последующих двух испытаниях происходит последовательное уменьшение значений массы и плотности уплотняемого образца грунта, а также, когда при ударах происходит отжатие воды или выделение разжиженного грунта через соединения формы. Уплотнение однородных по гранулометрическому составу и дренирующих грунтов прекращают после появления воды в соединениях формы независимо от числа ударов при уплотнении образца.

По значениям плотности и влажности грунта, полученным в результате последовательных испытаний, вычисляют значения плотности сухого грунта г/см³, с точностью 0,01 г/см³ по формуле.

где pi — плотность грунта, г/см '; wi — влажность грунта при очередном испы ании, %.

Результаты испытаний представляют в виде графиков зависимости плотности сухого грунта от влажности (рис. 4.13). По наивысшей точке графика для связных грунтов находят значение максимальной плотности и соответствующее ему значение оптимальной влажности.

Рис. 4.13. Графики определения максимальной плотности и оптимальной влажности: а) связных грунтов: б) несвязных грунтов.

Для несвязных грунтов график стандартного уплотнения может не иметь заметно выраженного максимума. В этом случае значение оптимальной влажности принимают на 1,0… 1,5% менее влажности и'" при которой происходит отжатие воды. Значение максимальной плотности принимают по соответствующей ей ординате. При этом 1,0% принимают для песков гравелистых, крупных и средней крупности; 1,5% - для мелких и пылеватых песков.

Если в грунте содержались крупные частицы, которые перед испытанием были удалены из пробы, то для учета влияния их состава корректируют установленное значение максимальной плотности сухого грунта по формуле.

Где р*- плотность крупных частиц, г/см³; К — содержание крупных частиц в грунте, %.

Значение оптимальной влажности грунта w _opl, %, определяют по формуле.

Для контроля правильности испытания связных грунтов строят " линию нулевого содержания воздуха" , показывающую изменение плотности сухого грунта от влажности при полном насыщении его пор водой. Пары чисел рл и w, для построения " линии нулевого содержания воздуха" при плотности частиц грунта р₅ определяют, задаваясь значениями влажности, по формуле.

Где р, — плотность частиц грунта, г/см';р_и — плотность воды, равная 1 г/см'.

Нисходящая часть графика стандартного уплотнения не должна пересекать " линию нулевого содержания воздуха" .

Число последовательных испытаний грунта при увеличении его влажности должно быть не менее пяти и достаточным для выявления максимального значения плотности сухого грунта по графику стандартного уплотнения. Допустимое расхождение между результатами параллельных определений. полученными в условиях повторяемости, не должно превышать для максимального значения плотности сухого грунта 1,5%, для оптимальной влажности -10% [28].

Для определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта (согласно BS, ASTM и другим зарубежным стандартам) применяются метод Проктора и метод Проктора модифицированный. Процедура испытаний по методу Проктора и их обработка аналогичны вышеприведенной методике, требования к грунтам и оборудованию также близки: диаметр частиц не более 20 мм; вес молота, согласно BS, составляет 2.5 кг (или 4.5 кг); высота падения 300 мм (или 450 мм); согласно ASTM вес молота — 2,5 кг (или 4,5 кг); высота падения 305 мм (или 457 мм). Различия между российским стандартом и зарубежными заключаются в том, что диаметр молота в зарубежных устройствах — 50 мм, а в отечественных приборах диаметр молота соответствует внутреннему диаметру стакана 99,8 мм. Молот для ручного и для автоматического уплотнения грунта фирмы ELE, а также график для определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта, согласно BS. приведены на рис. 4.14 [136].

Приведение значений максимальной плотности и оптимальной влажности для основных разновидностей грунтов, определяемых методом стандартного уплотнения, к значениям, полученным методами Проктора, осуществляют путем умножения на переходные коэффициенты, приведенные в табл. 4.9.

Рис. 4.14. Метод Проктора: а — прапор Проктора для ручного уплотнения грунта;

6 — механизм для автоматического уплотнения грунта; в график для определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта {136)

Таблица 4.9.

Коэффициент приведения значений максимальной плотности и оптимальной влажности грунта к значениям, полученным методами Проктора

Результаты испытаний также представляют в виде графиков зависимости плотности сухого грунта от влажности (рис. 4.14). За оптимальную влажность принимают влажность, соответствующую максимальной плотности.