Требования к плотности грунтов

Для грунта, находящегося в трехфазном состоянии (скелет + вода + воздух), без учета его структурных особенностей единичный объем составит:
  ρск/ρ+Wρск/100+σ/100=1,
где ρ — плотность грунта, г/см³; W — влажность грунта, %; σ — объем воздуха, остающийся в порах грунта после уплотнения, %; 1—единичный объем грунта (1 см³); ρск — плотность сухого грунта, г/см³.

Отсюда, основную характеристику уплотнения грунта (в сухом состоянии), т. е. его плотность определяют по формуле
  ρск =(1-σ) ρ/(100+Wρ).

Плотность грунта, влажность и содержание воздуха зависят от его генезиса, степени дисперсности, природных условий местности, нагрузки от колес автомобилей и ряда других факторов. Плотность пылеватой супеси составляет 2,66 г/м³, легкой — 2,68, легкого пылеватого суглинка — 2,69 и тяжелого суглинка — 2,71, пылеватой глины -2,72 и жирной глины —2,71. В зависимости от зернистости грунтов изменяется и содержание воздуха: в песчаных грунтах — 8—10 %, в супесчаных —6—8 %,
в суглинках, в том числе и черноземных, — 4—5 % и в жирных глинах — 4—6 %.

Влияние влажности значительнее для более дисперсного грунта. Высокодисперсные грунты широко распространены в СССР. Такие грунты обладают большой удельной поверхностью, высоким значением влагоемкости и морозного пучения и т. д. (гл. 7.2).

Оптимальная влажность Wо — влажность, соответствующая максимальной плотности грунта ρmax при наименьшей затрате энергии на уплотнение. При такой влажности вода в порах грунта находится в адсорбированном состоянии и пористость соответствует объему воды, находящейся в ней, т. е. грунт представляет собой, согласно механике грунтов, грунтовую массу (см. рис. 11.2).

Рис. 11.2. Зависимость между влажностью и плотностью сухого грунта
Зоны; А — с влажностью менее оптимальной; Б — с оптимальной влажностью; С — с влажностью выше оптимальной

В СССР разработан стандартный метод определения значений Wо и ρmax, подробно рассматриваемый в курсе грунтоведения и механики грунтов. Характерные для стандартного уплотнения графики зависимости плотности сухого грунта от влажности представлены на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Влияние уплотняющей энергии и влажности на плотность сухого грунта 1 — метод стандартного уплотнения (СССР); 2 — усиленное уплотнение по модернизированному методу Проктора (США); 3 — линия с грунтовыми порами, заполненными капиллярной водой (грунтовая масса)

Если затратить больше энергии на уплотнение, то снизится объем защемленного воздуха и воды, а потому повысится плотность грунта. Кривые зависимости между плотностью и влажностью будут располагаться ближе к верхнему левому углу графика. Соединив между собой точки наибольших значений плотности сухого грунта рек, получим прямую под углом а к горизонтали, характеризующую ход изменения оптимальной влажности (см. рис. 11.3). Для повышения модуля упругости грунтов во многих странах стремятся повысить требования к плотности. В частности, в США грунты уплотняют при меньшем значении оптимальной влажности, чем в СССР, за счет большей затраты энергии на уплотнение (кривая 2). Но при увеличении влажности выше оптимального значения резко снижается плотность сухого грунта, причем характер снижения совершенно одинаков независимо от энергии, затраченной на уплотнение (кривые 3).

Максимальная плотность грунта по методу стандартного уплотнения. Критерий «максимальная плотность» соответствует механическому уплотнению, например, связанных грунтов, когда вся вода в них находится в адсорбированном состоянии и пористость соответствует объему поровой воды. Из анализа рис. 11.3 видно, что метод стандартного уплотнения является условным. Прочностные характеристики (модуль упругости грунта E0, трение φ и сцепление С, установленные при плотности, соответствующей методу стандартного уплотнения, значительно ниже, чем, например, по модернизированному методу Проктора *, применяемому в США и других странах (рис. 11.4). Согласно этому методу грунт уплотняют при значительно большей затрате энергии, чем у нас.

Рис. 11.4. Влияние влажности и метода уплотнения на прочностные характеристики связных грунтов 1 — метод уплотнения, принятый в США (модернизированный метод Проктора); 2—метод стандартного уплотнения (СССР); ϕ — трение; с — сцепление; Е0 —модуль упругости грунта

Коэффициент уплотнения связного грунта по модернизированному методу, равный, предположим, Ко=1, соответствует методу стандартного уплотнения Ко=1,1 т. е. требования к плотности грунтов более жесткие, чем в СССР.

* Модернизированный метод широко применяют во многих странах. От нашего метода стандартного уплотнения он отличается тем, что грунт уплотняют хотя и в таком же металлическом стакане, но гирей массой 4,55 кг в 5 слоев с общим количеством ударов 125. У нас же сбрасывают гирю массой всего 2,5 кг и уплотняют грунт в 3 слоя.