Плотность грунтов
Пло́тность грунто́в, физическое свойство грунтов, количественно оцениваемое величиной отношения их массы к занимаемому объёму. Термин используется в инженерной геологии, гидрогеологии, геокриологии, механике грунтов, почвоведении, геофизике, строительстве и др. В общем случае масса грунта складывается из массы твёрдых компонентов, жидкой фазы (воды), газообразной фазы и биотических (живых) компонентов; объём грунта складывается из объёма твёрдой фазы и объёма пор, занимаемых жидкой, газообразной и живой компонентами.
В инженерной геологии для характеристики плотности используют следующие показатели: плотность твёрдых частиц грунта (ρs), плотность грунта (ρ), плотность скелета грунта (ρd), а также плотность грунта в рыхлом и плотном сложении, плотность грунта под водой и др. Все показатели плотности грунтов измеряются в кг/м3 (система СИ) или г/см3 (система СГС).
Плотность твёрдых частиц, ρs (твёрдой компоненты, твёрдой фазы, минеральная плотность) – это масса единицы их объёма. Она зависит лишь от химико-минерального состава твёрдой фазы грунта и представляет собой средневзвешенную плотность его твёрдых компонентов. Наличие в грунте «тяжёлых» минералов с высокой плотностью (амфиболы, гранаты, ильменит, касситерит, монацит, пирротин, циркон и др.) повышает ρs; присутствие же в грунте «лёгких» минералов (аллофан, галлуазит, сильвин, опал, нонтронит, кварц и др.) и органических твёрдых компонентов с низкой плотностью (гумус и т. п.) понижает ρs. У большинства грунтов ρs находится в пределах 2,5–2,9 г/см3.
Плотность грунта, ρ (или плотность влажного грунта) - масса единицы объёма грунта при данных влажности и сложении. Она зависит от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости) грунта. Плотность дисперсных грунтов (глинистых, лёссовых, песчаных и крупнообломочных) наиболее часто меняется от 1,3 до 2,2 г/см3; песчаников – 2,1–2,4 г/см3; аргиллитов и алевролитов – 2,2–2,55 г/см3; мергелей – 2,1–2,6 г/см3; известняков – 2,4-2,65 г/см3; магматических пород – от 2,5 до 3,4 г/см3 (возрастая от кислых пород к основным и ультраосновным) (табл.).
Плотность различных типов осадочных, магматических и метаморфических грунтов
Грунт | Плотность (ρ), г/см3 | Наиболее вероятные значения плотности, г/см3 | ||
от | до | от | до | |
Диатомит | 0,40 | 0,90 | _ | _ |
Опока | 1,00 | 2,00 | 1,30 | 1,40 |
Лёсс | 1,15 | 2,05 | 1,30 | 1,60 |
Песок | 1,30 | 2,20 | 1,40 | 1,70 |
Глина | 1,30 | 2,50 | 1,75 | 2,30 |
Мел | 1,30 | 2,60 | – | – |
Песчаник | 1,50 | 3,00 | 2,10 | 2,40 |
Известняк | 1,50 | 3,00 | 2,40 | 2,65 |
Алевролит | 1,75 | 2,97 | 2,20 | 2,55 |
Мергель | 1,85 | 2,75 | 2,10 | 2,60 |
Доломит | 1,95 | 3,05 | 2,30 | 2,75 |
Аргиллит | 2,05 | 2,70 | 2,30 | 2,50 |
Ангидрит | 2,10 | 2,98 | 2,85 | 2,95 |
Гипс | 2,15 | 2,40 | 2,25 | 2,30 |
Гранит | 2,50 | 2,70 | 2,62 | 2,65 |
Кварцит | 2,50 | 2,80 | 2,60 | 2,65 |
Диорит | 2,70 | 2,90 | 2,80 | |
Базальт | 2,70 | 3,30 | – | – |
Перидотит | 2,80 | 3,30 | 3,20 | 3,30 |
Габбро | 2,98 | 3,15 | – | – |
Плотность скелета грунта, ρd – масса твёрдой компоненты в единице объёма грунта при данном сложении. Она зависит лишь от минерального состава и сложения (пористости) грунта; чем выше пористость грунта, тем меньше его плотность скелета.
Между различными показателями плотности существуют определённые зависимости, позволяющие рассчитывать одни из них по величине других:
ρd = ρ /(1+W) = (ρs – ρd)/e, ρs = (ρs – ρd)/n,
где W – весовая влажность (в долях ед.); e – коэффициент пористости грунта (в долях ед.), численно равный отношению объёма пор к объёму твёрдой компоненты грунта; n – пористость грунта, численно равная объёму пор в единице объёма грунта (в % или долях ед.). У любого грунта всегда ρd < ρ < ρs.
Показатели плотности грунтов определяются как прямыми, так и расчётными способами. Лабораторные методы определения плотности грунтов регламентированы ГОСТ 5180-2015, полевые методы – ГОСТ Р 70260-2022.