Определение грунтов является важной частью инженерно-геологических изысканий. Плотность грунта - это масса единицы объема грунта, выражается обычно в г/см3 или т/м3. Знание необходимо для расчетов устойчивости грунтовых массивов, величины возможных осадок фундаментов, а также при проектировании земляных работ.
Факторы
Гранулометрический состав, минеральный состав частиц, степень влажности, предыстория грунта и давление вышележащих пород. Чем крупнее частицы грунта и меньше пористость, тем выше его плотность. Влажные грунты имеют меньшую плотность по сравнению с такими же сухими грунтами из-за наличия в порах воды.
Виды
Различают несколько видов :
- Плотность частиц грунта - отношение массы твердых частиц к их объему.
- Плотность скелета грунта - отношение массы скелета (твердых частиц и пор) к объему скелета.
- Объемная плотность грунта - отношение массы грунта к его полному объему (включая твердые частицы, воду и воздух).
- Плотность сухого грунта - отношение массы высушенного грунта к его полному объему.
Способы определения плотности грунта
Существуют следующие основные способы:
- Лабораторные методы на образцах грунта ненарушенной структуры.
- Полевые методы с помощью специальных приборов и установок (зондирование, радиоизотопный и др.).
- Расчетные методы по косвенным показателям (грансостав, влажность и др.).
Лабораторные методы
Наиболее точные результаты дают лабораторные методы определения плотности на образцах грунта ненарушенной структуры, отобранных в природных условиях специальными пробоотборниками. Различают следующие основные лабораторные методы:
- Метод режущего кольца - образец грунта вместе с кольцом взвешивается, затем высушивается, и по разности масс вычисляется пл-ть.
- Метод наполнения - кольцо с образцом взвешивается, затем грунт вынимается, кольцо заполняется водой и взвешивается снова.
- Пикнометрический метод - основан на определении объема твердых частиц грунта с помощью пикнометра.
Полевые методы
Полевые методы позволяют определить непосредственно в массиве без отбора образцов. К ним относятся:
- Зондирование - плотность оценивается по сопротивлению грунта зонду.
- Радиоизотопный метод - основан на измерении ослабления потока гамма-излучения в грунте.
- Ударный метод - по длительности распространения ударной волны в грунте.
Зависимость свойств
С повышением плотности прочностные и деформационные характеристики грунта улучшаются. При проектировании фундаментов важно знать плотность для оценки несущей способности основания и расчета возможных осадок.
Способы регулирования плотности
Для улучшения свойств применяют их искусственное уплотнение:
- Механическое уплотнение (трамбование, вибрация).
- Глубинное уплотнение взрывами.
- Вытрамбовывание котлованов и траншей.
- Уплотнение грунтовыми сваями.
- Химическое закрепление.
Контроль качества уплотнения
Используют те же методы, что и при изысканиях - лабораторные, полевые и расчетные. Сравнивают фактическую плотность грунта с проектной. Контроль плотности ведется на всех этапах строительства для обеспечения несущей способности оснований сооружений.
Плотность грунтов в строительных нормах
Требования регламентируются строительными нормами и правилами. Они устанавливают минимальную плотность для грунтов оснований, а также для насыпей и обратных засыпок в зависимости от вида грунта и назначения сооружения.
Применяются различные лабораторные, полевые и расчетные методы. По величине плотности судят о механических свойствах грунтов, оценивают несущую способность оснований. Для улучшения характеристик грунтов применяют их искусственное уплотнение. Контроль плотности на всех этапах строительства обеспечивает надежность возводимых сооружений.
Применение геосинтетических материалов для армирования
Для повышения несущей способности слабых грунтов применяют армирование геосинтетическими материалами. Это позволяет уменьшить осадки и деформации оснований при меньших объемах уплотнения грунта. В качестве армирующих материалов используют геотекстиль, георешетки, геосетки.
Для расчета фундаментов необходимы данные об основании. По ним определяют модуль деформации, на основании которого рассчитывают осадку фундамента. Чем выше плотность грунта, тем больше его несущая способность и меньше осадка.
При уплотнении под вновь строящиеся объекты необходимо учитывать влияние на окружающие здания и сооружения. Повышение плотности может вызвать неравномерные осадки и деформации близлежащих фундаментов. Поэтому требуется контроль состояния конструкций.
При строительстве автомобильных дорог регламентируется плотность земляного полотна и оснований дорожных одежд. Нормы устанавливают минимальную плотность для обеспечения прочности, устойчивости и долговечности дорожных конструкций.
Скальные грунты
Определение плотности имеет ряд особенностей, связанных с их неоднородностью и трещиноватостью. Применяют методы непосредственного измерения на монолитных образцах и косвенные - по скважинным и геофизическим данным.
Нормирование показателя плотности в строительных нормах разных стран
Требования к плотности грунтов в строительных нормах имеют некоторые различия в нормативных документах разных стран. Это связано с особенностями климатических условий, типами грунтов, конструктивными решениями зданий и сооружений.
Области применения
Помимо оценки оснований, показатель плотности грунтов используется в строительстве для контроля качества уплотнения насыпей и обратных засыпок, определения физико-механических характеристик, расчета взаимодействия конструкций с грунтом.
Перспективы развития методов
Ведутся исследования по совершенствованию существующих и разработке новых, более производительных методов определения плотности грунтов. Большие перспективы имеет применение геофизических методов, георадаров, приборов неразрушающего контроля.
Плотность грунтов при сейсмических воздействиях
При сейсмических воздействиях происходит уплотнение грунтов в зоне эпицентра и разуплотнение на удалении от него. Это приводит к изменению их прочностных и деформационных характеристик. Поэтому при сейсмостойком строительстве учитывают возможные изменения плотности грунтов.
Намывные грунты
Намывные грунты образуются при гидронамыве на болотах и отмелях. Их плотность может сильно изменяться по глубине и площади. Для определения плотности намывных грунтов применяют полевые методы, а также отбор проб с последующим лабораторным исследованием.
Илистые грунты
Затруднено из-за их тиксотропных свойств и неоднородности. Применяют специальные методы отбора проб и лабораторные методы с учетом структурной прочности илов.
Зависимость плотности от глубины залегания грунтов
С глубиной под действием вышележащих слоев плотность грунтов увеличивается. Это связано с уплотнением под собственным весом и уменьшением влияния внешних факторов. При инженерных изысканиях учитывают изменение плотности грунтов по глубине.
Влияние обводнения
При обводнении грунтов происходит снижение их плотности за счет вытеснения воздуха из пор водой. Особенно сильно это влияет на пылевато-глинистые грунты, склонные к размоканию. Поэтому необходим водоотвод и защита грунтов от обводнения.
Учет плотности многолетнемерзлых грунтов
В криолитозоне при определении плотности грунтов учитывают их многолетнемерзлое состояние. Плотность мерзлых грунтов выше, чем талых. При оттаивании происходит снижение плотности, что влияет на устойчивость сооружений.
Оценка однородности
Значительная изменчивость плотности грунта по глубине и площади участка свидетельствует о его неоднородности. Для оценки однородности анализируют данные изысканий о распределении плотности и выделяют участки с близкими значениями.
Использование данных при моделировании геологической среды
При компьютерном моделировании геологической среды в программных комплексах значения плотности используются для задания физико-механических характеристик грунтов. Это позволяет достоверно имитировать напряженно-деформированное состояние массива при различных воздействиях.
Оценка изменения во времени
Под влиянием природных факторов и техногенных воздействий плотность грунтов может со временем изменяться. Для оценки динамики плотности выполняют мониторинг с повторными замерами через определенные промежутки времени.
Влияние динамических нагрузок
Динамические нагрузки от транспорта, строительной техники, вибрационных механизмов приводят к уплотнению верхней зоны грунтов. Это необходимо учитывать при инженерных изысканиях на территориях с интенсивным техногенным воздействием.
Связь между плотностью и акустическими свойствами грунтов
Существует корреляционная зависимость между плотностью грунта и его акустическими характеристиками - скоростью распространения продольных и поперечных волн. Это позволяет использовать геофизические методы для косвенной оценки плотности.
Прогнозирование изменения при строительстве
На стадии проектирования выполняют прогнозирование изменения плотности грунтов в связи со строительными работами - уплотнением, обводнением, механическими воздействиями. Это учитывается при расчете оснований фундаментов и конструкций.
Нормативная база в области определения плотности грунтов
Плотность грунта госты: ГОСТ 5180, ГОСТ 30416, ГОСТ 28570, а также СП и МГСН, устанавливающие требования к плотности оснований.
Погрешности определения плотности грунтов и способы их минимизации
Результаты определения плотности грунтов имеют погрешности, связанные с методикой и точностью измерений. Для минимизации погрешностей применяют аттестованное оборудование, строгое соблюдение методик, статистическую обработку данных.
Автоматизация процесса определения плотности грунтов
Для повышения производительности и снижения субъективных ошибок при определении плотности грунтов применяют средства автоматизации - автоматические пробоотборники, измерительные комплексы с регистрацией и обработкой данных.
Опыт зарубежных стран
В зарубежной практике широко используются неразрушающие полевые методы контроля плотности - ядерные, ультразвуковые, приборы с радиоизотопными источниками. Высоко автоматизированы лабораторные исследования и интерпретация результатов.
Сравнение точности лабораторных и полевых методов
Лабораторные методы на образцах грунта дают наиболее точные значения плотности. Полевые методы имеют бóльшие погрешности, их данные нуждаются в калибровке по лабораторным. Точность зависит от приборов, методик и квалификации персонала.
Перспективы применения беспилотных летательных аппаратов
Активно развивается применение беспилотников с геофизическим оборудованием для дистанционной оценки свойств грунтов, в том числе плотности. Это повышает оперативность и детальность обследования на больших площадях.
Влияние растительности
Растительный покров оказывает значительное влияние на формирование плотности грунтов. Корневые системы рыхлят и аэрируют грунт, способствуя снижению его плотности. При раскорчевке участков происходит уплотнение почвы и изменение ее свойств.
Учет анизотропии плотности грунтов при инженерно-геологических изысканиях
Многие грунты обладают анизотропией плотности, зависящей от направления. Это связано с особенностями структуры и текстуры грунта. При изысканиях определяют плотность в разных направлениях для учета анизотропии.
Современные нормативные требования
Современные нормативные документы предъявляют повышенные требования к точности определения плотности грунтов для обеспечения надежности фундаментов уникальных высотных и большепролетных сооружений.
Методы повышения достоверности данных
Для повышения достоверности данных о плотности слабых водонасыщенных грунтов применяют специальные методы отбора проб, контрольный отбор и усреднение результатов, корректировку по косвенным показателям.
Особенности определения плотности грунтов при изысканиях в условиях плотной городской застройки
В условиях плотной застройки затруднен отбор качественных монолитов грунта. Применяют частые точечные определения с усреднением, а также непрерывный полевой контроль плотности методом зондирования.
История развития методов определения
Первые методы определения плотности грунтов основывались на гидростатическом взвешивании образцов. В дальнейшем были разработаны пикнометрический, радиоизотопный, зондировочный и другие методы. Совершенствование аппаратуры повышало точность и производительность методов.
Зарубежный опыт нормирования и контроля плотности грунтов в строительстве
В зарубежной практике широко применяется постоянный автоматизированный мониторинг плотности грунтов на строительной площадке. Жестко регламентируются методики контроля и допустимые отклонения плотности от проектных значений.
Передовые технологии уплотнения грунтов
Для качественного уплотнения грунтов применяют высокоэффективные трамбующие машины, глубинные грунтоуплотнители, вытрамбовывание полостей щебнем, вибровращение и другие передовые технологии, позволяющие достичь требуемой плотности.
Способы повышения однородности уплотненных грунтов
Для обеспечения однородного уплотнения грунтов по глубине и площади применяют методы глубинного уплотнения, устройство прослоек из дренирующих материалов, использование комбинированных технологий вытрамбовывания и виброуплотнения.
Заключение
Подводя итог, можно сделать следующие основные выводы:
-
Максимальная плотность грунта имеет большое практическое значение в строительстве, поскольку позволяет оценить прочностные и деформационные свойства грунтов оснований.
-
Существует множество лабораторных и полевых методов, позволяющих получать плотность грунта кг м3 с разной точностью.
-
Плотность частиц грунта регламентируется в строительных нормах для обеспечения необходимых свойств оснований и конструкций.
-
Для улучшения характеристик грунтов широко применяется их уплотнение с контролем плотности на всех этапах строительства.
-
Развитие методов определения плотности грунтов направлено на повышение оперативности, точности, производительности и снижение трудозатрат.
