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.