Прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация зданий и сооружений определятся не только конструктивными особенностями сооружения, но и свойствами грунтов, на которых они возводятся. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения. Разнообразие состава, строения и состояния грунтов делает неизбежным введение значительного числа различных физических характеристик. Некоторые из них непосредственно применяются в расчетах оснований, другие – для классификации грунтов.

Измеряемые характеристики

Удельный вес грунта

Удельным весом грунта γ называется вес единицы объема грунта, измеряется в кН/м³.

Удельный вес грунта вычисляется через его плотность: γ = g·ρ

• ρ ‑ плотность грунта, т/м³;
• g ‑ ускорение свободного падения, принимаемое равным 9,81 м/с².

Плотность сухого (скелета) грунта

Плотность сухого (скелета) грунта ρd ‑ природная плотность за вычитанием массы воды в порах, г/см³ или т/м³.

Устанавливается расчетом: ρ_d= ρ / (1+0,01W)

• где W ‑ природная (естественная) весовая влажность грунта, %;
• ρ ‑ природная (естественная) весовая плотность грунта, г/см³ (т/м³)

Пористость грунта

Коэффициент пористости - это отношение объема пустот к объему твердых частиц в долях единицы. Коэффициент пористости грунта (е) расчитывается по формуле: e = (ρ_s - ρ_d) / ρ_d

• где ρ_s и ρ_d - соответственно плотность частиц и плотность сухого (скелета) грунта, г/см³ (т/м³).

Принимаемая плотность частиц ρs (г/см³) для грунтов:

• песчаные грунты - 2,66
• супеси - 2,7
• суглинки - 2,71
• глины - 2,74

Предел прочности на сжатие

Предел прочности грунта на одноосное сжатие R_c, МПа — отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади первоначального поперечного сечения. 

Влажность грунта

Влажность грунта, W % — массовое (весовое) W или объёмное W_n относительное содержание воды в порах грунта. Объёмная влажность W_n изменяется от 0 до 100 %. Расчитывается по формуле: p = m / V

Водонасыщение

Коэффициент водонасыщения (степень влажности грунта) S_r - отношение естественной (природной) влажности грунта W к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха): S_r = W·ρ_s / e·ρ_w

• где ρ_s - плотность частиц грунта (плотность скелета грунта), г/см³ (т/м³);
• е - коэффициент пористости грунта;
• ρ_w - плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³ (т/м³);
• W - природная влажность грунта, выраженная в долях единицы.

Грунты по степени влажности:

• Маловлажный: 0 < Sr ≤ 0,5
• Влажный: 0,5 < Sr ≤ 0,8
• Насыщенный водой: 0,8 < Sr ≤ 1

Пластичность грунта

Число пластичности I_p — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести W_L и на границе раскатывания W_p. Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт. Минеральный и зерновой составы грунта, форма частиц и содержание глинистых минералов существенно влияют на границы пластичности и число пластичности.

Число пластичности представляет собой интервал влажности, в пределах которого грунт находится в пластичном состоянии, и определяется как разность между границей текучести и границей раскатывания грунта: I_Р = W_L - W_P

• WL и Wp определяют по ГОСТ 5180-84.

Текучесть грунтов

Показать текучести I_L выражается в долях единицы и используется для оценки состояния (консистенции) пылевато-глинистых грунтов. Расчитывается по формуле: I_L = (W — W_p)  / I_р

• где W — природная (естественная) влажность грунта;
• W_p — влажность на границе пластичности, в долях единицы;
• I_p — число пластичности.

В зависимости от показателя текучести глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины. Показатель текучести для грунтов разной плотности приведены в статье Пластичность и текучесть грунта

Водопроницаемость 

Степень водопроницаемости грунта — характеристика, отражающая способность грунтов пропускать через себя воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтрации К_ф, м/сут. Определяется по ГОСТ 25584-90.

Морозная пучинистость

Степень морозной пучинистости — характеристика, отражающая способность грунта к морозному пучению, выражается относительной деформацией морозного пучения ε_fh, д. ед. (доли единицы), которая определяется по формуле: ε_fh = (h_o,f − h_o) / h_o

• где h_{o, f} — высота образца мёрзлого грунта, см;
• h_o — начальная высота образца талого грунта до замерзания, см.

Плотность песков

Степень плотности песков I_D определяется по формуле: I_D = (e_max − e) / (e _max − e_min)

• где е — коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении;
• e_max — коэффициент пористости песка в самом рыхлом сложении.
• e_min — коэффициент пористости песка в самом плотном сложении.

Неоднородность

Степень неоднородности гранулометрического состава C_u — показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле: C_u = d₆₀ / d₁₀

• где d₆₀, d₁₀ — диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.

Выветрелость

Кэффициент выветрелости К_wr, д. ед. — отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта. Коэффициент выветрелости крупнообломочных грунтов Кwr, д. ед., определяется по формуле: K_wr = (K₁ − K₀) / K₁

• где К₁ — отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане;
• К₀ — то же, в природном состоянии.

Истираемость

Коэффициент истираемости крупнообломочных грунтов К_fr, д. ед., определяется по формуле: K_fr = q₁ / q₀

• где q₁ — масса частиц размером менее 2 мм после испытания крупнообломочных фракций грунта (частицы размером более 2 мм) на истирание в полочном барабане;
• q₀ — начальная масса пробы крупнообломочных фракций (до испытания на истирание).

Размягчаемость в воде

Коэффициент размягчаемости в воде К_sof, д. ед. — отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Растворимость в воде

Степень растворимости в воде — характеристика, отражающая способность грунтов растворяться в воде и выражающаяся в количестве воднорастворимых солей, q_sr, г/л.

Деформация набухания

Относительная деформация набухания без нагрузки ε_sw, д. ед. — отношение увеличения высоты образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 24143-80.

Деформация просадочности

Относительная деформация просадочности ε_s, д. ед. — отношение разности высот образцов, соответственно, природной влажности и после его полного водонасыщения при определённом давлении к высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 23161-78.

Содержание органического вещества

Относительное содержание органического вещества I_r, д. ед. — отношение массы сухих растительных остатков к массе абсолютно сухого грунта.

Засолённость

Степень засолённости — характеристика, определяющая количество водорастворимых солей в грунте D_sal, %.

Коэффициент сжимаемости мёрзлого грунта 

Коэффициент сжимаемости мёрзлого грунта δ_f — относительная деформация мёрзлого грунта под нагрузкой.

Льдистость грунта

Льдистость грунта за счёт видимых ледяных включений i_i, д. ед. — отношение содержащегося в нём объёма видимых ледяных включений к объёму мёрзлого грунта. Определяется по формуле:
i_i = (ρ_s (W_tot − W_m)) / (ρ_i + ρ_s (W_tot − W_w))

•     ρ_s — плотность мёрзлого грунта, г/см3;
•     ρ_i — плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см3;
•     W_tot — суммарная влажность мёрзлого грунта, д. ед.;
•     W_m — влажность мёрзлого грунта, расположенного между ледяными включениями, д. ед.
•     W_w — влажность мёрзлого грунта за счёт содержащейся в нём при данной отрицательной температуре незамёрзшей воды, д. ед.

Степень заполнения объёма пор мёрзлого грунта

Степень заполнения объёма пор мёрзлого грунта льдом и незамёрзшей водой Sr, д. ед., определяется по формуле:
S_r = (1,1W_ic + W_w) ρ_s / e_fρ_w

• где W_ic — влажность мёрзлого грунта за счёт порового льда, цементирующего минеральные частицы (лёд-цемент), д. ед.;
• W_w — влажность мёрзлого грунта за счёт содержащейся в нём при данной отрицательной температуре незамёрзшей воды, д. ед.;
• ρ_s — плотность частиц грунта, г/см3;
• е_f — коэффициент пористости мёрзлого грунта;
• ρ_w — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.

Суммарная льдистость 

Суммарная льдистость мёрзлого грунта i_tot, д. ед. — отношение содержащегося в нём объёма льда к объёму мёрзлого грунта. Определяется по формуле: i_tot = i_i + i_c = ρ ⋅ i / ρ_i = ρ_f (W_tot − W_w) / ρ_i(W_tot + 1)

Зольность торфа

Степень зольности торфа D_ds, д. ед. — характеристика, выражающаяся отношением массы минеральной части грунта ко всей его массе в абсолютно сухом состоянии. Определяется по ГОСТ 11306-83*.

Разложение торфа

Степень разложения торфа D_dp, д. ед. — характеристика, выражающаяся отношением массы бесструктурной (полностью разложившейся) части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы негумицированных остатков растений, к общей массе торфа. Определяется по ГОСТ 10650-72.

Прочие характеристики

Происхождение 

По генезису (происхождению) выделяются три типа грунтов:

1. Скальные: магматические интрузивные, магматические эффузивные, метаморфические, осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные, техногенные.
2. Дисперсные: осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные, техногенные.
3. Мёрзлые

Структура

Структура грунта — пространственная организация компонентов грунта, характеризующаяся совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количественное соотношение), геометрических (пространственная композиция структурных элементов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия структуры) и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействием компонентов грунта.

Состав

Состав грунта вещественный — категория, характеризующая химико-минеральный состав твёрдых, жидких и газовых компонентов.

Текстура

Текстура грунта — пространственное расположение слагающих грунт элементов (слоистость, трещиноватость и др.).

Гранулометрический состав

Гранулометрический состав — количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536-79.