Удельный вес грунта: Удельный и объемный вес грунта: определение и формулы расчетов

Удельный и объемный вес грунта: определение и формулы расчетов

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.

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.

Измерение удельного веса почв

Введение

Почва представляет собой трехфазный материал , состоящий из твердых частиц и пустот, заполненных водой и воздухом. Удельный вес (G _S ) почвы относится к отношению удельного веса твердых частиц к удельному весу воды. G _S не следует путать с плотностью почвы, поскольку это безразмерная единица, выражающая отношение двух конкретных плотностей.

Г _S является важным параметром механики почвы, поскольку он может быть связан с минеральным составом почвы и выветриванием. Он также используется для получения нескольких важных параметров почвы, таких как пористость, плотность в сухом и насыщенном состоянии и степень насыщения.

Испытательное оборудование

Для определения удельного веса почвы необходимо следующее оборудование:

1. Мерная колба, отмеченная тонким кольцом в определенной точке горлышка (градуировка)
2. Весы, чувствительные к 0,01 г
3. Вакуумный насос
4. Дистиллированная вода
5. Воронка
6. Шпатель
7. Сушильная печь

Процедура тестирования 9000 3

Удельный вес рассчитывается как отношение веса в воздухе данного объема частиц почвы при указанной температуре к весу в воздухе равного объема дистиллированной воды при той же температуре. Процедура достижения этой цели следующая:

1. Взвесьте пустую и чистую мерную колбу ( W ₁ ).
2. Наполните колбу дистиллированной водой до отметки деления.
3. Очистите и высушите внутреннюю (над уровнем воды) и внешнюю часть колбы и взвесьте ее ( W ₂ ).
4. Опорожните и высушите колбу.
5. Взвесьте около 50 грамм почвенного материала.
6. С помощью воронки осторожно поместите почву в колбу и взвесьте ее ( W ₃ ).
7. Заполните примерно 2/3 колбы дистиллированной водой.
8. Используйте вакуумный насос для постепенного создания вакуума и удаления захваченного воздуха, вращая колбу для удаления пузырьков воздуха. Процедура должна длиться около 2-3 минут для песка и 10-15 минут для глины.
9. Снимите вакуум, очистите и высушите колбу и долейте дистиллированную воду до метки.
10. Взвесьте колбу ( W ₄ ).
11. Используйте термометр для определения температуры воды.

Расчеты

Чтобы лучше понять, как рассчитывается удельный вес, вышеупомянутые измеренные величины представлены на Рис. почва.

На основе температуры воды, которая была зарегистрирована на последнем этапе, плотность дистиллированной воды ρ _w определяется с помощью специальных таблиц (т. е. ρ _w =998,23 кг/м ³ at T=20 ° C)

Плотность частиц грунта ρ _S вычисляется следующим образом: 

Следовательно, удельный вес G _S рассчитывается как:

Коррекция используется для корректировки результатов при эталонной температуре T=20 ° C:

где К — поправочный коэффициент температуры.

Удельный вес грунтов обычно составляет 2,65-2,80 , причем более мелкие грунты имеют более высокие значения, чем более крупные.

Что такое удельный вес почвы и почему это важно? — Сертифицированные продукты для испытаний материалов

Есть много разных способов, которыми инженеры могут узнать о свойствах почвы на строительной площадке. Испытание удельного веса грунтов является одним из самых важных. Узнайте больше об этом информативном тесте, о том, как его выполнять и почему он так важен для успеха вашего проекта.

Что такое удельный вес почв?

«Удельный вес» почв и твердых веществ почвы относится к массе твердых веществ в почве по сравнению с массой воды при том же объеме. Название «конкретный» немного вводит в заблуждение, поскольку твердые частицы почвы состоят из множества различных частиц, каждая из которых имеет свои собственные измерения гравитации. Таким образом, удельный вес твердых частиц почвы фактически представляет собой среднее значение удельного веса всех включенных частиц почвы. Как правило, удельный вес имеет тенденцию падать между 2,65 и 2,80, при этом более грубые почвы обычно имеют более низкий удельный вес, чем более мелкие почвы.

Почему этот тест важен?

Знание удельного веса грунтов помогает инженерам понять, насколько пористым является грунт или сколько в нем пустот. Он также показывает, насколько почва насыщена водой. Инженеры используют эти измерения для выполнения важных расчетов, которые предсказывают, будет ли почва на участке достаточно стабильной, чтобы поддерживать конструкцию и обеспечивать надлежащий дренаж.

Как вы проводите испытание удельного веса почвы?

Есть несколько способов выполнить этот тест. Двумя наиболее распространенными являются стол для определения удельного веса или колба для определения удельного веса, также известная как мерная колба или колба Ле Шателье.

Использование скамейки

Стенд удельного веса позволяет взвешивать взвешенные образцы в воде. Использование стенда эффективно для определения удельного веса затвердевшего бетона, заполнителей, огнеупорного кирпича, битумных смесей и других подобных материалов. Чтобы выполнить испытание удельного веса грунтов с помощью стенда, выполните следующие действия:

• Высушите образец почвы и взвесьте его.
• Погрузите образец в воду и снова взвесьте его.
• Рассчитайте удельный вес твердых частиц почвы, разделив первое измерение (вес в воздухе) на второе измерение (потеря веса в воде).

Описанный расчет будет выглядеть так:

• Удельный вес = Вес в воздухе/Потеря веса в воде

Использование колбы

Колба Ле Шателье является вторым наиболее часто используемым оборудованием для определения удельного веса твердых частиц почвы. Однако этот метод более эффективен для порошкообразных материалов, таких как известь, шлак и гидравлический цемент. Чтобы выполнить тест с использованием колбы, выполните следующие действия:

• Высушите образец почвы в печи и измельчите его в порошок (или, по крайней мере, в более мелкую текстуру).
• Отмерьте образец высушенной измельченной почвы до точной массы (например, 2 грамма).
• Перелейте образец в мерную колбу (Ле Шателье).
• Наполните ту же колбу водой чуть ниже верхней части колбы. Обратите внимание на то, сколько воды вы добавили.
• Поверните колбу под наклоном, чтобы выпустить пузырьки воздуха из воды, не проливая ее.
• Наполните колбу водой до отметки 500 мл. Опять же, обратите внимание на то, сколько воды вы добавили.

Расчет удельного веса твердых частиц почвы для этого метода несколько сложнее, чем для стендового метода. Для начала вы должны найти плотность твердого вещества почвы (Ps), разделив массу высушенного в печи образца почвы на 500 минус объем воды, добавленной для получения 500 мл.