Перейти к содержанию

Плотность и пористость

Нормативная документация: ГОСТ 5180-2015

Введение

Статья посвящена ключевым методам определения плотности и пористости дисперсных грунтов, регламентированным ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»

Определение природной плотности

Метод режущего кольца (PS_CTRG)

  • Вычисляемый параметр:
    Природная плотность грунта (ρ, г/см³).
  • Теоретические основы:
    Плотность грунта — отношение массы образца к его естественному объему.

Методика

Режущее кольцо стандартных размеров (Таблица 1 ГОСТ 5180-2015) вдавливают в грунт без нарушения структуры. Образец обрезают, извлекают с подложкой, взвешивают с точностью ±0,01 г. Объем вычисляют по геометрии кольца. Для мерзлых грунтов применяют кольца с антиадгезионным покрытием.

Таблица 1 ГОСТ 5180-2015 — Размеры кольца-пробоотборника

Наименование и состояние грунтов Толщина стенки, мм Внутренний диаметр d, мм Высота h Угол заточки наружного режущего края
Немерзлые глинистые грунты 1,5—2,0 ≥ 50 0,8d ≥ h > 0,3d Не более 30°
Немерзлые и сыпучемерзлые песчаные грунты 2,0—4,0 ≥ 70 d ≥ h > 0,3d Не более 30°
Мерзлые глинистые грунты 3,0—4,0 ≥ 80 d = h 45°

1. Подготовка: Измеряют внутренний объем кольца с точностью до 0,1 см³. При необходимости измеряют массу пластинок или бумажных фильтров, с которыми будет производиться взвешивание.

2. Отбор пробы: Кольцо вдавливают в грунт вертикально без перекосов.

3. Обрезка: Излишки грунта срезают ножом вровень с краями кольца.

4. Взвешивание: Образец с кольцом и пластинками взвешивают с точностью ±0,01 г.

Расчет

ρ = (m1-m0-m2)/V

Где:

m0 – масса кольца,

m2 – масса пластинок,

m1 – масса кольца с грунтом и пластинками,

V - объем кольца.

Метод парафинирования (PS_WIW)

  • Вычисляемый параметр:
    Природная плотность грунта (ρ, г/см³).

  • Теоретические основы:
    Метод взвешивания в воде применяют для определения плотности глинистых немёрзлых грунтов, склонных к крошению и трудно поддающихся вырезке. Парафиновая оболочка предотвращает разрушение и водонасыщение образца.

Методика

Подготовка к испытаниям

Вырезают образец грунта объемом не менее 50 см3 и придают ему округлую форму, срезая острые выступающие части.

  1. Образец обвязывают тонкой прочной нитью со свободным концом длиной 15— 20 см, имеющим петлю для подвешивания к серьге весов.

  2. Парафин, не содержащий примесей, нагревают до температуры 57 °С— 60 °С.

Проведение испытания

  1. Обвязанный нитью образец грунта взвешивают.

  2. Образец грунта покрывают парафиновой оболочкой, погружая его на 2— 3 с в нагретый парафин. При этом пузырьки воздуха, обнаруженные в застывшей парафиновой оболочке, удаляют, прокалывая их и заглаживая места проколов нагретой иглой. Эту операцию повторяют до образования плотной парафиновой оболочки.

  3. Охлажденный парафинированный образец взвешивают.

  4. Затем парафинированный образец взвешивают в сосуде с водой. Для этого над чашей весов устанавливают подставку для сосуда с водой так, чтобы исключить ее касание к чаше весов (или снимают подвес с чашей с серьги, уравновесив весы дополнительным грузом). К серьге коромысла подвешивают образец и опускают в сосуд с водой. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду. При этом образец не должен касаться дна и стенок сосуда.

Примечание — Допускается применять метод обратного взвешивания. На чашу циферблатных весов устанавливают сосуд с водой и взвешивают его. Затем в жидкость догружают образец, подвешенный к штативу, и вновь взвешивают сосуд с водой и погруженным в нее образцом.

  1. Взвешенный образец вынимают из воды, промокают фильтровальной бумагой и взвешивают для проверки герметичности оболочки. Если масса образца увеличилась более чем на 0,02 г по сравнению с первоначальной, образец следует забраковать и повторить испытание с другим образцом.

Расчет

Плотность грунта ρ, г/см3, вычисляется по формуле:

Для прямого взвешивания:

ρ = (m* ρп * ρw) / (ρп *( m1 - m2) – ρw*( m1 -m))

m — масса образца грунта до парафинирования, г;

m1 — масса парафинированного образца грунта, г;

m2 — результат взвешивания образца в воде — разность масс парафинированного образца и вытесненной им воды, г;

ρп — плотность парафина, по умолчанию принимаемая равной 0,900 г/см3;

ρw— плотность воды при температуре испытаний, г/см3.

Примечание — Плотность парафина следует уточнять для каждой партии парафина. Плотность воды, в зависимости от температуры, следует принимать по справочному приложению И ГОСТ 5180.

Для обратного взвешивания:

ρ = (m*ρп*ρw) / (ρп*(m4-m3) – ρw*(m1-m))

где: m, m1, ρп, ρw— то же, что и в формуле для прямого метода

m3 — масса сосуда с водой, г;

m4 — масса сосуда с водой и погруженным в нее парафинированным образцом, г.

Плотность воды при различных температурах (Приложение И ГОСТ 5180)

Температура, °С Плотность, г/см³ Температура, °С Плотность, г/см³
0—12 1,000 24—27 0,997
12—18 0,999 29—30 0,996
19—23 0,998 31—33 0,995

Определение плотности мерзлого грунта

Метод взвешивания в нейтральной жидкости (PS_WIWL)

  • Вычисляемый параметр:
    Плотность мерзлого грунта (ρ, г/см³).

  • Теоретические основы:
    Мерзлые грунты требуют исключения контакта с водой для предотвращения таяния. Используются нейтральные жидкости (толуол, керосин) с плотностью <1 г/см³ и температурой застывания ниже -30°C .

Методика

Подготовка образца:

  • Формируют образец округлой формы массой 100-150 г

  • Обвязывают образец нитью для подвешивания

  • Поддерживают температуру образца ниже 0°C на всех этапах

Подготовка жидкости:

  • Выбирают нейтральную жидкость (керосин, лигроин) с температурой застывания ниже -30°C

  • Охлаждают жидкость до температуры испытания (-10°C)

  • Определяют плотность жидкости ареометром при рабочей температуре

Проведение испытания:

  • Измеряют массу образца в воздухе (m)

Прямое взвешивание: / Обратное взвешивание:

  • Погружают образец в охлажденную нейтральную жидкость

  • Взвешивают систему с использованием гидростатических весов

  • Фиксируют либо:

    • Массу вытесненной жидкости (m₁), или

    • Массу сосуда с жидкостью (m₃) и массу сосуда с жидкостью и образцом (m₄)

Расчет

  • По результатам прямого взвешивания:

ρ = (ρnl /* m) / (m-m1)

  • По результатам обратного взвешивания:

ρ = (ρnl /* m) / (m4-m3)

Где:

  • ρnl - плотность нейтральной жидкости при температуре испытания

  • m - масса образца

  • m1 - масса вытесненной жидкости

  • m3 - масса сосуда с жидкостью

  • m4 - масса сосуда с жидкостью и образцом

Определение плотности частиц грунта

Пикнометрический метод (PS_PICN)

  • Вычисляемый параметр:

Плотность частиц грунта (ρs, г/см³).

  • Теоретические основы:

Плотность частиц — отношение массы твердой фазы грунта к её объему.

Усреднённые значения плотности частиц грунта для некоторых типов грунтов:

Пески — 2,64–2,66 г/см3.

Супеси — 2,68–2,70 г/см3.

Суглинки — 2,70–2,72 г/см3.

Глины — 2,74–2,76 г/см3.

Значения могут варьироваться в зависимости от минералогического состава конкретного грунта.

Методика

Подготовка образца:

  1. Воздушно-сухой грунт размельчают и просеивают через сито 2 мм

  2. Отбирают навеску:

    • 15 г сухого грунта на 100 мл объема пикнометра (для минеральных грунтов)

    • 5 г сухого грунта на 100 мл объема (для торфа и заторфованных грунтов)

  3. Для воздушно-сухих образцов предварительно определяют гигроскопическую влажность

Подготовка жидкости:

Используют дистиллированную воду, прокипяченную 1 час и охлажденную в закрытой таре. Для засоленных грунтов применяют нейтральные жидкости (керосин, бензин)

Проведение испытания:

  1. В пикнометр на 1/3 объема заливают воду (или нейтр. жидкость) и взвешивают

  2. Добавляют навеску грунта, повторно взвешивают

  3. Кипятят на песчаной бане:

    • 30 мин - для песков и супесей

    • 60 мин - для суглинков и глин

  4. После кипячения охлаждают до комнатной температуры в водяной бане

  5. Доливают жидкость до метки (мениск должен совпадать с риской)

  6. Удаляют излишки жидкости фильтровальной бумагой

  7. Контролируют отсутствие воздушных пузырьков

  8. Взвешивают пикнометр с содержимым

Контрольные измерения:

  • Отдельно определяют массу пустого пикнометра

  • Определяют массу пикнометра с жидкостью при той же температуре

  • Температуру измеряют с точностью ±0,5°C

Расчет

ρs = ρw/* m0 /( m0 + m2 - m1)

Где:

m0 — масса сухого грунта, вычисляемая как разница масс пикнометра, заполненного на 1/3 водой и грунтом и того же пикнометра до добавления грунта, г;

m1 — масса пикнометра с водой (керосином) и грунтом при t° испытания, г;

m2 — масса пикнометра с водой (керосином) при t° испытания, г;

ρw— плотность воды (керосина) при температуре испытаний, г/см3.

Расчетные характеристики плотности (RESULTS)

Коэффициент пористости (e, д.е.)

Характеризует отношение объема пор к объему твердой фазы.

Формула: e = (ρs - ρd) / ρd

Пористость (n, д.е.)

Определяет долю пор в общем объеме грунта.

Формула: n = (ρs - ρd) / ρs

Плотность при полном водонасыщении (ρsat, г/см³)

Показывает плотность грунта при полном заполнении пор водой.

Формула: ρsat = (1 + wsat) /* ρd