Как найти удельный вес грунта зная плотность

Определение удельного веса грунта

Удельным
весом
грунта
γ
называется вес единицы объема грунта
ненарушенной структуры и естественной
влажности. Удельный вес грунта определяют
методом режущих колец. Удельный вес
грунта равен отношению массы грунта
природной
влажности m
к его объему V,
умноженному на ускорение свободного
падения g.

γ
=
ρ_n

g,
(1.3.)

где
ρ_n
—
плотность грунта,

ρ_n
=m/V
(1.4.)

Для
каждой разновидности грунта выполняют
не менее трех равноценных определений
удельного веса. За нормативное значение
удельного веса грунта принимают среднее
арифметическое из результатов равноценных
определений с точностью до двух знаков
после запятой. Пример определения
удельного веса грунта приведен в
табл.1.2.

Таблица
1.2.

Определение удельного веса грунта

Определение природной влажности грунта

Природной
влажностью

грунта w
называют отношение массы воды, содержащейся
в грунте, к массе грунта, высушенного
(до постоянной массы) при температуре
100 — 105° С. После определения начальной
массы грунта m,
бюкс с грунтом высушивают в сушильном
шкафу до практически полной потери
влажности (рис.1.1.). Далее, после охлаждения
в эксикаторе, определяют массу сухого
грунта m_с
и w
рассчитывают по формуле:

w
= m_в
/ m_с,
(1. 5.)

где
m_в
— масса воды, содержащейся в грунте;

m_с
—
масса скелета грунта.

Рис.1.1.
Общий вид сушильных шкафов

За
нормативное значение природной влажности
грунта принимают среднее арифметическое
значение результатов испытаний (не
менее трех), имеющих расхождение не
более 0,02 г/см³.
Пример определения природной влажности
приведен в табл.1.3.

Таблица
1. 3.

Определение природной влажности грунта

Определение пределов пластичности

Пластичность
грунта
— это
способность грунта изменять свою форму,
деформироваться,
под воздействием внешних воздействий
без образования трещин
и сохранять принятую форму после снятия
нагрузки. Пластичность имеет пределы:
верхний — влажность на границе текучести
w
_L,
нижний
– влажность на границе пластичности
(раскатывания) w_p.

Влажностью
на границе текучести

w
_L
называют влажность,
при которой в предварительно измельченный,
просеянный и затворенный водой грунт
«балансирный конус» Васильева погружается
под действием собственного веса за 5
секунд на глубину 10,0 мм
(до метки на конусе) (рис. 1.2).

1

2

4

2

3

6

5

Рис.
1.2. Приборы для определения предела
пластичности: 1
– эксикатор, 2 – бюксы, 3 – стаканчики
с конусом и подставкой, 4 – чашечка с
песком, 5 – дощечка, 6 – конус Васильева.

Влажностью
на границе раскатывания
w_p
называют влажность, при которой
предварительно измельченный, просеянный
и затворенный водой грунт раскатывается
в жгут, который
при толщине 3 мм крошиться на части
длиной 3 — 5 мм по всей его длине
жгута.

Численные
значения w
_L
и w
_p
определяют
по формуле (1.5) аналогично определению
природной
влажности грунта.

За
нормативное
значение пределов пластичности принимают
среднее арифметическое
из результатов равноценных определений.
Пример определения границ пластичности
в табл.1.4.

Таблица
1 .4.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Вычисление удельного веса грунта

Удельным весом грунта γ называется вес единицы объема грунта, измеряется в кН/м³.

Удельный вес грунта вычисляется через его плотность:

γ = g × ρ ,

где ρ — плотность грунта, т/м³; g — ускорение свободного падения, принимаемое равным 9,81 м/с².

Определение плотности сухого (скелета) грунта

Плотность сухого (скелета) грунта ρ_d — природная плотность за вычитанием массы воды в порах, г/см³ или т/м³.

Устанавливается расчетом:

ρ
ρ_d = ,
1+0,01W

где W — природная (естественная) весовая влажность грунта, %; ρ — природная (естественная) весовая плотность грунта, г/см³ (т/м³)

Определение коэффициента пористости грунта

Коэффициент пористости e — это отношение объема пустот к объему твердых частиц в долях единицы. Устанавливается расчётом:

ρ_s — ρ_d
e = ,
ρ_d

где ρ_s и ρ_d — соответственно плотность частиц и плотность сухого (скелета) грунта, г/см³ (т/м³).

Плотность частиц ρ_s принимается равной для песчаных грунтов 2,66 г/см³, супесей — 2,7 г/см³, суглинков — 2,71 г/см³, глин — 2,74 г/см³

Таблица 6

Определение показателя текучести глинистых грунтов

Показать текучести I _L выражается в долях единицы и используется для оценки состояния (консистенции) пылевато-глинистых грунтов.

Определяется расчетом из формулы:

W — W_p
I _L = ,
I _р

где W — природная (естественная) влажность грунта; W_p — влажность на границе пластичности, в долях единицы; I _p — число пластичности.

В зависимости от показателя текучести пылевато-глинистые грунты могут иметь плотность сложения согласно таблице 7.

Таблица 7

Определение степени влажности грунта

Степень влажности грунта S_r — отношение естественной (природной) влажности грунта W к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха):

W·ρ_s
S_r = ,
e·ρ_w

где ρ_s — плотность частиц грунта (плотность скелета грунта), г/см³ (т/м³); е — коэффициент пористости грунта; ρ_w — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³ (т/м³); W – природная влажность грунта, выраженная в долях единицы.

Таблица 8

Измеряемые характеристики грунтов

Качество и характеристики грунтов имеют важнейшее значение при планировании и проведении любых земляных или строительных работ. Основными физическими показателями, которые характеризуют свойства почв, считается их удельный и объемный вес, вес под водой и в высушенном состоянии. Наибольшую роль играют первые три характеристики, именно их чаще всего используют в различных инженерных расчетах.

Без знаний о весе грунта нельзя вычислить его механические свойства, что делает невозможным любое строительство. Ошибки при оценке характеристик почвы способны привести к разрушению зданий и сооружений.

Удельный вес: общая информация

Удельный вес грунта – это отношение его массы к объему. Данный показатель высчитывается по формуле:

γ = P/V, где γ – означает удельный вес, Р – массу, а V – объем исследуемого образца.

Как правило, в расчетах используют удельный вес для сухого грунта. Перед взвешиванием из почвы удаляют всю влагу с помощью длительного нагревания до температуры 100-105° С. Для этой процедуры применяются специальные сушильные шкафы.

Объем образца вычисляется путем погружения его в воду и последующего подсчета объема вытесненной жидкости. Образцы мягких грунтов предварительно парафинируют, а затем из полученного результата вычитают объем парафина. Также объем проб вычисляют с помощью пикнометрического метода, путем вытеснения газа или гидростатическим взвешиванием. Чаще всего для подобных расчетов используется пикнометр.

Методы для вычисления веса породы делятся на полевые и лабораторные. К первой группе относят различные способы, с помощью которых можно определить характеристики грунта в условиях его залегания. Вторая группа обычно работает с небольшими образцами породы, уже извлеченными из массива.

В полевых условиях данную характеристику грунтов часто измеряют с помощью специального кольца с острой режущей гранью. Оно имеет диаметр 15 см и высоту 5-10 см. Это очень простой и удобный метод. Подобное кольцо вдавливается в почву, а затем извлекается и взвешивается.

Для выражения удельного весе применяют разные единицы измерения, но чаще всего используют г/см³ или т/м³.

От чего зависят показатели веса?

Удельный вес почвы зависит от ее геологического состава и содержания в ней органических соединений и растительных остатков. Последние имеют низкую плотность, поэтому чем больше органики в породе, тем она получается легче. Грунты, которые содержат много гумуса, обычно отличаются небольшим весом. На данную характеристику также значительно влияет наличие в почвах тяжелых минералов.

У большинства грунтов вес колеблется в диапазоне от 2,5 до 2,8 г/см³. У основных пород он несколько выше, чем у кислых. Вес последних приближается к весу кварца. К породам с большим удельным весом (плотностью) относятся: кварциты, мрамор, диориты, граниты, гнейсы, базальты, порфириты, кремень, ангидриты. Имеют низкий показатель удельного веса известняки, туф, торф, пемза, шлаки.

Ниже представлены значения удельного веса для наиболее распространенных видов почв.

Объемный вес: общая информация

Кроме удельного веса грунта, существует еще и объемный, под которым подразумевается его масса в единице объема. Это очень важный физический параметр почвы, определяющий ее текстурные, а также структурные особенности. Он зависит от минерального состава, структуры почвы, ее пористости, влажности.

Данный показатель у скальных пород очень близок к удельному. Причина этому – их низкая пористость и большое количество тяжелых элементов в составе. Так, например, у изверженных пород его значение составляет 2,5-3,5.

Объемный вес применяется при расчетах давления грунтов на подпорные стенки и другие конструкции, а также при вычислении устойчивости откосов, оползневых склонов, других аналогичных объектов. Также данная величина используется при вычислениях других характеристик грунтов: пористости, массы скелета почвы.

Грунт – это многокомпонентная дисперсная система, в состав которой, кроме твердых частиц, входят еще и поры, заполненные жидкостью и воздухом. В качестве жидкости чаще всего выступает свободная и связанная вода, а также различные растворы на ее основе. По этой причине масса почвы – это величина переменная, она повышается или уменьшается вместе с уровнем влажности. Поэтому выделяют два вида объемного веса, для грунта влажного и сухого.

В первом случае имеется в виду вес некоторого объема почвы с ненарушенной структурой, который содержит природную влагу. Он высчитывается по формуле:

γ = γ_с (1+W), где γ_с – это вес грунта без воды, а W – его влажность.

В практических вычислениях обычно используется объемный вес грунта с влажностью. Чаще всего именно эта характеристика встречается в технической литературе и справочниках.

Сухой вес – масса почвы, из которой при нагревании полностью удалена вода. Характеристика высчитывается по формуле:

γ = γ_уд (1-n), где γ_уд – это удельный вес почвы, а n – ее пористость.

Значения для разных грунтов

Ниже указана данная характеристика для разных типов почв. В таблице указаны средние показатели. Следует отметить, что вес одинаковых грунтов с разной пористостью может значительно отличаться.

Под коэффициентом пористости понимается соотношение твердых частиц грунта и его воздушных пор.

Вес грунта под водой

Важной характеристикой почвы является ее удельный вес в водной среде. Здесь речь идет о грунте, который полностью насыщен влагой. Так бывает при его залегании ниже уровня грунтовых вод. В таких условиях вес породы уменьшается на количество воды, которую вытеснили твердые частицы. Здесь действует закон Архимеда, известный всем нам еще со школьной скамьи.

Данную характеристику можно высчитать по двум формулам:

γ_гр = (γ_уд -1)×(1-n) или γ_гр = (γ_уд – γ_в)/(1+ε), где γ_гр – это вес почвы, которая находится в воде, γ_в – масса воды, а ε – показатель пористости породы. Последняя характеристика является практически постоянной.

Вес почвы, которая насыщена водой, чрезвычайно важен. Его значение применяется при вычислениях устойчивости оснований, фундаментов сооружений, расчетах откосов, при прогнозировании деформационных процессов и других измерениях.

При проведении подобных вычислений необходимо знать плотность породы. Ее можно высчитать с помощью простых формул или измерить. Чтобы высчитать плотность, необходимо знать массу и объем почвы.

Для инструментального определения данной величины используются пикнометр. Этот прибор выглядит, как небольшая стеклянная колба с узким горлышком и боковой шкалой. С его помощью можно очень точно определять плотность твердых и жидких веществ.

Для чего нужны данные характеристики?

Объемный и удельный вес грунтов – это чрезвычайно важные характеристики, без которых невозможно любое строительство. Они во многом определяют механику почв и их прочностные свойства. Без знания этих параметров нельзя заложить фундамент или другой объект. Кроме того, данные свойства определяют, как грунт поведет себя при воздействии на него низких температур, температурных колебаний, замачивания.

Исходя из прочности грунта, можно высчитать массу строительных элементов, которые он в состоянии выдержать. Неправильная оценка механических свойств почвы способна привести к деформации сооружения, а то и к его полному разрушению. Считается, что более 50% аварий насыпей, дорог, мостов, зданий и плотин – это следствие ошибок, допущенных при геологических изысканиях и расчетах характеристик грунта.

Расчет массы почвы может пригодится не только профессиональным строителям, но и обычным обывателям. Например, при постройке дачи или дома с помощью указанных выше формул и значений можно посчитать тоннаж автотранспорта. Застройщики-любители обычно не пользуются сложными расчетами, а просто берут усредненные значения для каждого грунта, которое можно найти в справочниках.

В строительстве часто используются такие математические модели, как удельный объемный вес грунта. Удельный вес — алгебраическое отношение веса почвосмеси, который был высушен при температурном значении в 100 градусов Цельсия до прекращения изменения массы, к объему. Объемный вес же — это весовое значение грунта в единице объема. Измеряются они в тоннах на кубический метр.

От чего зависит вес грунта

Для разнообразных целей реализуются различные характеристики массы земли. Среди них, например, можно выделить вес влажной почвы, грунта, находящегося под водой, сухой почвы и вес скелета. При этом существуют определенные факторы, которые влияют на числовое значение этих параметров.

Рассматриваемый становится тем больше, чем больше в почве содержится минералов, особенно тяжелых. Поэтому считается, что минеральный состав и примеси наибольшим образом влияют на значение.

Формулы и методики расчета

Существуют немало различных способов определения объемного, удельного весов. Для этого можно использовать математические формулы, а можно вспомогательные приборы.

Формула выбирается на основе того, насколько почва влажная. Поэтому можно выделить три способа расчета — для сухой почвы, для влажной, для той, что находится под водой.

Масса скелета почвы вычисляется по следующей формуле: О₁=У·(1-N)

где У — это удельный параметр, а N — значение пористости.

Для влажной почвы формула принимает вид:

О₂=О₁·(1+W),

где W — влажность по массе.

Значение почвы, находящейся под водой, применяется в расчете устойчивости оснований, откосов, в анализе суффозии и прочее.

При этом используется следующая формула:

О₃=О₁-М,

где М — объем воды, которая была вытеснена.

В вопросе определения второго параметра все несколько проще. Для этого нужно определить плотность анализируемой почвы, потому что:

γ=ρ·g,

где γ — удельный параметр, ρ — плотность земли, а g — ускорение свободного падения, которое численно равно 9,81 м/с².

Поэтому определение сводится к вычислению плотности почвы. Определить плотность можно двумя способами: с помощью прибора, математически. Плотность является отношением массы к объему. Поэтому если знать массу, объем исследуемой пробы почвы можно вычислить плотность.

Существует особый прибор — пикнометр, который выглядит как маленький сосуд из стекла с узким горлом и метками. Благодаря ему экспериментально устанавливают значения плотностей различных веществ и жидкостей.

Средние значения для различных типов грунта

Так как земли различных типов по большей части похожи по строению, эти параметры принимают близкие данные.

Удельного веса

Представим в табличном виде представленные данные об удельном параметре различных типов грунта.

Вид грунтаУдельный вес, измеряемый в т/м³

Объемного веса

Общие средние значения по параметру можно представить в виде следующей таблицы.

Грунт

ПесокСупесьСуглинкиТорфГлина

Зачем нужно знать данные показатели

Данные показатели часто используются в строительстве. Они помогают определить прочность грунта, на который закладывается фундамент, и найти более подходящее расположение. Кроме того, эти числа дают возможность определить массу элементов строительства, зная только объем и выделенный параметр.