Физические свойства. Плотность, пустотность, теплофизические, электрофизические, магнитные, акустические

Свойства грунта – особенность, обуславливающая его различие или сходство с другими грунтами и проявляющаяся во взаимодействии с ними или с различными полями и веществами (например цвет, пластичность, электропроводность и др.) Существует бесчисленное множество свойств грунтов. Выделяют классы химических, физико-химических, физических и биотических свойств грунтов, отличающихся своей природой. Химические свойства характеризуют химические процессы в грунтах(т.е химические изменения, и их способность участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами) Пример: реакции меняющие их химико-минеральный состав, в результате процессов окисления, восстановления, гидролиза, гидратации, растворения и т.д.; растворимость грунтов, химическая поглотительная способность, химическая агрессивность грунтов); физико- химические- различные поверхностные явления и физико- химические процессы в грунтах, происходящие на молекулярном и микроуровне, но без явных химических превращений (адсорбционные свойства, диффузионные свойства, осмотические, капиллярные свойства, набухаемость, усадочность, водопрочность, размокаемость, размягчаемость и др). Физические свойства проявляются в результате действия на них различных физических полей: гравитационного, теплового, электрического, магнитного, гидродинамического, аэродинамического, радиационного, механического и др. Биотические свойства отражают процессы и взаимодействия, происходящие в грунтах с участием живой (биотической) составляющей (биологическая активность грунтов, биотическая поглотительная способность, биоагрессивность и др.)

Физические свойства

1.Плотность, ρ

Плотность –физическое свойство грунтов, количественно оцениваемое величиной отношения их массы к занимаемому объему.

Характеризует ρ в теле сооружений и в естественных условиях. Определяется составом структурных элементов, структурой – кристаллической решетки, сложением структурой, текстура и кристаллическая решетка, и структура – плотность массива.

Это минеральный состав, строение, которые определяются степенью петрогенеза, метаморфизма, литификации, техногенеза.

Используют: ρ – плотность грунта, γ – удельный вес грунта;

ρd – плотность скелета грунта,  γdудельный вес скелета грунта;

ρs – плотность частиц грунта, γs – удельный вес частиц грунта.

Везде г/см3.- для плотностей и Н (кгс)/см3- для уд. весов.

Используются показатели относительной плотности и уплотненности песков, показатель степени уплотненности глин.

ρsсредняя плотность минералов и органического вещества, слагающих грунт; ρs  = ms/vs . Чем больше тяжелых элементов (Fe, Mn, тем тяжелее).

У грунтов магматического происхождения увеличивается от кислых к основным:

Гранит 2.64-2.67; сиенит 2.65-2.70, гранодиорит 2.66-2.80, диорит 2.70-2.92, габбро 2.87-3.10, перидотит 3.0-3.25, пироксенит 3.15-3.32 г/см3.

У осадочных достаточно стабильные значения для песков 2.65, супесей 2.70, суглинков 2.71, глин 2.74, у почв и пород с органикой 2.20-2.60 г/см3.

Определяется пикнометрическим способом в воде – для грунтов без легко растворимых солей, в керосине – для грунтов с солями.

ρ – масса единицы объема породы с естественной w и ненарушенным строением определяется и с нарушенным max ρ при оптимальной w.

Зависит от строения, плотности частиц, содержания органического вещества, воды.

Для скальных близка к ρs

Для глинистых, песчаных изменяется от 1.3 до 2.4 г/см3.

Определяется обмером, методом режущих колец и взвешиванием в воде.

ρd – плотность скелета грунта – масса твердого компонента в 1 объема;

зависит от минерального состава и структуры.

ρd = ρ/(1+0.01w) г/см3

для песка с наруш. ест. сост. Определяют в плотном и рыхлом сложении и также коэффициент пористости. Соответственно для них определяют коэффициент плотности

 

2. Пустотность:

1)поровая 2)трещинная

Пористость. Показатели n или e , средний d пор, средний периметр пор, средняя площадь пор, средний объем пор и др.

Определяется структурой, степенью литификации, размером агрегатов и т.п.

Пористость характеризует объем пор в единице объема грунта

n- общая пористость n =( v г+ж / v ) x 100%

Коэффициент пористости равен отношению объема пор к объему твердой компоненты грунта

e- коэффициент пористости e = v г+ж / v т

n изменяется от 0.1 – скальные до 90% - торф, ил

e изменяется от 0.3 и больше до 20;

n и e можно определить через ρ s и ρ d

n =( ρs - ρd )/ ρs x 100%;

e =( ρs - ρd )/ ρd

n и е между собой связаны n = e /(1+ e ); e=n/(100-n).

Знания общей пористости мало для прогноза свойств грунта.

Необходимы: распределение пор, извилистость, средний размер и др.

Методы, кроме расчетных: ртутной порометрии, морфологического анализа структуры водонасыщения

Пески

Знание пористости позволяет вычислить относительную плотность песка D=(emax-e)/(emax-emin)

Для оценки способности грунта к уплотнению используется показатель уплотняемости F

F=(emax-emin)/emin,

где: emax=(ρsmin)/ρmin;   emin=(ρsmax )/ρmax 

 

Глинистые грунты

Пористость глинистых отложений, легко изменяется при внешней нагрузке, они уплотняются. Это уплотнение может происходить и в естественных условиях. По мере уплотнения прочность глинистых грунтов возрастает. Для оценки степени уплотнения глинистых грунтов определяют показатель степени уплотнения (коэффициент В. А. Приклонского) Kd .

Kd= (eL-e)/(eL-ep)

 

3.Теплофизические свойства.

Теплофизические свойства оказывают большое влияние на различные природные процессы (выветривание, почвообразование, сезонное и многолетнее протаивание и промерзание), соответственно это отражается на условиях работы инженерных сооружений. Для изучения процессов тепло- и влагопереноса, расчета чаши протаивания в мерзлых грунтах, используются теплофизические характеристики грунтов. Основные характеристики: теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность грунтов.

Теплота Δ Q, сообщенная грунту, расходуется согласно первому закону термодинамики на изменение его внутренней тепловой энергии Δ U и на работу А, связанную с расширением грунта Δ Q =Δ U + A. Для твердых и жидких тел работа А пренебрежительно мала. Сообщение грунту теплоты вызывает приращение его температуры: Δ Q = CmΔt, где m- масса грунта; С- коэффициент пропорциональности, называемый теплоемкостью – количество тепла, которое надо сообщить телу для нагревания его на 1оС .

С=Δ Q / mΔt =Дж/кгхоС = ЭРГ/гхоС

а) теплоемкость – способность поглощать тепло, измеряется количеством тепла которое необходимого для изменения температуры единицы массы или объема грунта на 1°С. Поэтому различают Объемная теплоемкость С v - равна количеству тепла необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°С. и Удельная (весовая) теплоемкость С количество тепла, которое надо сообщить телу, чтобы нагреть его на 1оС;

С=Δ Q / mΔt ; Δ Q – теплота, m – масса грунта, Δt –приращение температуры.

С - изменяется для породообразующих минералов в небольших пределах: от 0.7 (для кварца) до 0.9 кДж/кгхград (для монтмориллонита и др. глинистых минералов). При определении теплоемкости грунта учитывается совместная теплоемкость с водой и воздухом. Водонасыщение приводит к замене газа (теплоизолятора) на воду и соответственно к увеличению теплоемкости;

б) коэффициент теплопроводности λ – характеризует способность материала проводить тепло; величина, равная количеству тепла, проводимого грунтом через единицу площади при температурном градиенте, равном 1; Вт/м2Со ; ЭРГ/см2 оС; кал./см2 оС Анализ влияния состава грунтов на теплопроводность λ дал следующий постепенно увеличивающийся ряд: (min) торф- глина- суглинок- лесс- супесь- песок- крупнообломочные породы (max).

 в) коэффициент температуропроводностиа характеризует инерцию изменения температуры, т.е скорость распространения изменения температуры вследствие поглощения или отдачи тепла и измеряется в м2/с (метр квадратный на секунды).а= λ/С v или а= λ/ρ C

 

Электрофизические свойства

Способность грунтов проводить и поглощать электрический ток.

Наиболее важные электрические свойства – электропроводность и диэлектрическая проницаемость.

Электропроводность грунтов – способность проводить электрический ток. Основные характеристики: ρ – удельное электрическое сопротивление; Ом х м

σ=1/ρ –удельная электропроводность;

ε- относительная диэлектрическая проницаемость, она обусловлена свойством молекул, атомов и ионов, слагающих компоненты грунтов, поляризоваться в электрическом поле.

ρ отражает способность грунта не пропускать электрический ток. Изменяется от сотен тысяч у магматических грунтов до единиц – у водонасыщенных глин.

Зависит от влажности, минерализации порового раствора, температуры, структурных особенностей;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость – безразмерная величина, показывает, во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном грунте меньше, чем в вакууме.

ε для грунтов изменяется от 2 до 20

ε воды = 80

ε газа мало

получается, что зависит в основном от содержания воды.

ρ используется для оценки коррозионной активности.

 

Магнитные свойства

Все грунты в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Это обусловлено тем, что основная часть породообразующих минералов относится к группе парамагнетиков. Основные параметры: остаточная намагниченность, магнитная восприимчивость и др.

Характеризуется намагниченностью J, равной результирующему магнитному моменту какого-либо тела, отнесенному к единице объема или массы или грамм атому

J=KmH, где

Km – магнитная восприимчивость

Н – напряженность магнитного поля.

Магнитная восприимчивость – коэффициент пропорциональности между намагниченностью и внешним магнитным полем, создавшим эту намагниченность.

Магнитные свойства грунтов зависят от свойств (их сочетания) элементов, от структурных особенностей. Обычно с возрастанием дисперсности грунтов их магнитная восприимчивость (К m ) уменьшается. К диамагнетикам относятся (медь, серебро, цинк, золото, кварц кальцит, гипс,ангидрит и др.) Среди горных пород – каменные соли, мел, известняк и др. Парамагнетики (при отсутствии внешнего магнитного поля , они не намагничесны) – биотит, сидерит , доломит и др.). Ферромгнетики (собственная намагниченность в пределах незначительных участков (около микрона).

Магнитные свойства имеют существенное значение при анализе условий формирования грунтов. Ю.Б. Осипов показал, что магнитные свойства влияют на процесс осаждения особенно глинистых минералов. На формирование их структуры, трещиноватости, анизотропности свойств.

 

Акустические свойства.

Широко используются для изучения свойств грунтов

Характеризуются скоростью распространения упругих волн:

продольной Vp и поперечной Vs. Чем больше V, тем более упругий грунт, тем значительнее сопротивление его внешним нагрузкам.

В прочных магматических и осадочных грунтах, для которых приемлема модель однородной изотропной идеально упругой среды, значения Vp и Vs равны:

Vp=√E(1-μ)/(ρ(1+μ)(1-2μ))

Vs=√E/(2ρ(1+μ)) = √G/ρ

Где Е и G – модули линейной упругости и сдвига

μ – коэффициент Пуассона

ρ – плотность грунта

Для большинства скальных грунтов Vρ=2Vs

Используются как косвенные характеристики для расчленения массива грунтов.



Дата: 2019-02-02, просмотров: 263.