Определение влажности грунта

Под влажностью почвы подразумевается количество воды, которое находится в её порах. Данный параметр зачастую определяют в процентах, но иногда могут использовать доли единицы либо абсолютные цифры. Существуют различные методики, которые позволяют измерять влажность грунта. Каждый вариант имеет свои особенности и достоинства.

Что из себя представляет естественная увлажнённость почвы

Определение термина «влажность» приведено в национальном стандарте ГОСТ 30416-2012 «Общие положения лабораторных испытаний грунтов»: Естественной влажностью называют отношение общей массы воды в определённом объёме почвы к весу грунта при высушивании до постоянного веса. Грунтовые породы имеют естественную увлажнённость в определённых природных условиях. Этот параметр измеряется для заданных объёмов грунта – для этого определяется соотношение воды и высушенной почвы.

В верхней части грунтовых массивов происходит постоянное изменение влажности с учётом времени года, температуры окружающего воздуха, частоты и количества атмосферных осадков. Как правило, в верхних слоях воды меньше по сравнению с нижними, однако в весенний период при обильных дождях увлажнённость бывает выше. В нижнем горизонте показатели влажности являются довольно стабильными и зависят от глубины залегания подземных вод, плотности, степени пористости грунтовых пород.

Естественная влажность зависит от особенностей самих грунтов. Песчаные и крупнообломочные слои отлично пропускают воду, которая здесь не задерживается. Глинистые и пылеватые грунты обладают особой структурой с закрытыми порами, что приводит к задерживанию влаги. Молекулы воды связаны здесь мелкими частицами, из-за чего происходит набухание и морозное пучение.

Влажность во многом определяет эксплуатационные характеристики и свойства грунтовых пород:

• Несущую способность: из-за большого содержание воды в дисперсной почве наблюдается уменьшение силы трения между частичками, что приводит к их смещению, а это снижает несущую способность. Повышенная увлажнённость делает грунты более пластичными, приводит к необратимым деформациям. Скальных пород это не касается.
• Плотность: по мере увеличения количества влаги плотность грунтовых масс сначала растёт, но при достижении определённого показателя начинает снижаться.
• Сжимаемость, морозное пучение: лёссовидные виды почвы и пылеватые пески обладают свойством проседать при высокой влажности, а вот глина расширяется в случае переувлажнения.
• Прочность: данная характеристика уменьшается при увеличении количества влаги из-за разрушения коллоидов и утраты связности частиц.
• Плодородные способности: гумус и почвы с органическими останками хорошо впитывают и связывают воду, что способствует ускоренному растворению питательных элементов, которые становятся легкодоступными для выращиваемых культурных растений.

Классификация типов влажности

Исследуя состояние грунтовых пород, важно учитывать как естественную, так и другие виды влажности, которые позволяют более комплексно отобразить характеристики почв.

Весовая

Такая влажность представляет собой отношение массы воды к сухому веществу. Главным отличием этого показателя является возможность его определения в дополнительно увлажнённом или подсушенном грунте, что не всегда соответствует природным условиям. Весовую влажность указывают в процентах либо единицах (0 – у абсолютно сухой почвы). В некоторых видах пород (к примеру, в торфе) вес воды может превышать массу сухого грунта – показатель может достигать 1000% и более.

Объёмная

Данная характеристика указывает соотношение объёма воды к грунту в трех разных состояниях (твёрдом, жидком, газообразном). Абсолютно сухая порода имеет объёмную увлажнённость 0, полностью водонасыщенная – 100%.

Относительная

Данный показатель обозначает степень водонасыщенности (коэффициент увлажнённости) – заполнение грунтовых пор жидкостью. Исходя из этого показателя, грунты бывают трёх видов:

• маловлажными (0…0,5) – вода заполняет поры менее чем на 50%;
• влажными (0,5…0,8) – заполнение 50-80% пустот;
• водонасыщенными (свыше 0,8) – заполнено минимум 80% пор.

Относительный параметр применяют преимущественно к песчаным и крупнообломочным породам. В глине и лёссе связанная вода и мелкие капилляры представлены в большом количестве, из-за чего характеристика не позволяет полностью отразить заполнение пор.

Учитывая относительную влажность, определяют другие свойства почв: сжимаемость, прочность, склонность к усадке, набухаемость, несущая способность. Зная этот параметр, можно легче планировать работы для усовершенствования свойств грунтов (дополнительное просушивание рыхлением или дренированием, увлажнение и т. д.).

Гигроскопическая

Такую влажность определяют для грунтов, высушенных при +105…+107 °С. Данный параметр основывается на свойстве впитывания парообразной воды, поэтому по гигроскопическому показателю определяют поглотительную способность и влагоёмкость почвы, гранулометрический состав.

Оптимальная

Здесь речь идёт о показателе увлажнённости, при котором грунтовая порода обладает максимальной плотностью при заданных внешних нагрузках. Этот параметр определяют в лабораториях. Если построить график увлажнения и плотности, то у связного грунта он будет иметь дугообразную форму – при увеличении влаги плотность сначала будет возрастать, а потом уменьшаться. Пиковое значение по графику как раз и называют оптимальной влажностью.

Допустимая

Этот показатель схож с предыдущим, при этом почву уплотняют до определённого допустимого уровня.

Другие виды влажности

Нередко специалисты определяют следующие специфические виды увлажнённости грунтовых пород:

• На границе раскатывания: эта характеристика применяется к пластичным грунтам. При определённом впитывании влаги глинистые, суглинистые, супесчаные породы обретают свойства пластичности. Масса воды до начала раскатывания грунта без распада на куски указывает на нужный показатель влажности.
• На пределе текучести: параметр указывает на то, при каком количестве воды глина и суглинок может удерживать свою форму без растекания.
• Набухание: такая характеристика указывает, какое количество воды следует добавить, чтобы глинистый грунт максимально расширился в замкнутой таре.
• На границе усадки: показатель определяет количество влаги, которое остаётся в порах глины при усадке под воздействием давления. Данная характеристика позволяет понять, насколько сильно фундамент даст усадку на конкретном типе грунта.

Методы измерения влажности

Существуют различные методы, помогающие определять параметры увлажнённости конкретных проб грунтовых пород. Рассмотрим особенности каждого варианта.

Методика высушивания до постоянной массы

Чтобы провести исследование, используют пробу грунта порядка 20 граммов, чистый сухой стакан с крышкой, сушильный шкаф и весы с миллиграммовой точностью. Вначале взвешивают пустой стеклянный стакан, затем в него помещают образец почвы, и ставят тару в сушильную камеру. Пробу следует высушивать при температуре +105…+107 °С (для загипсованных пород достаточно +80 °С). Продолжительность сушки может различаться: для песчаных грунтов нужно 3 часа, для загипсованных – 8, для остальных – порядка 5.

Дальше пробу вновь взвешивают, а потом ещё просушивают около 2 часов (песчаную породу – до 1 часа). Данная процедура повторяется, пока разница между замерами не уменьшится до 20 мг. Стоит учесть, что вес органической почвы может увеличиваться при высушивании – в таком случае учитывается минимальный показатель.

Для определения влажности используют следующую формулу: W = 100 × (m₁ – m₀) / (m₀ – m),

где m – масса стакана и крышки;

m₁ – масса влажной почвы + стакан;

m₀ – масса высушенного образца + стакан.

Итоговый показатель выражается в процентах. Если из формулы убрать умножение на 100, то в результате получаются доли единицы. Зачастую этот метод применяют, чтобы определять весовую увлажнённость, но он подходит и для получения других влажностных параметров (объёмного, относительного).

Исследование с использованием влагомера

Влагомером называют специальные многофункциональные приборы, которые позволяют определять процентные показатели влажности почвы с определённой долей точности. Исследование проводится непосредственно в грунте, поэтому пробы для испытаний можно не отбирать. С помощью влагомеров специалисты следят за состоянием грунтов, благодаря чему удаётся быстро принимать необходимые решения для восстановления или изменения свойств почв.

Работа приборов основывается на специальных датчиках-электродах в виде щупов, размеры которых составляют порядка 200 мм. Для проведения анализа щуп опускается непосредственно в грунт. Влагомеры являются довольно простыми в использовании – для исследований не нужно дополнительное оборудование и специализированные условия.

Методика обжига грунтовых пород

Этот способ применяют в тех случаях, когда необходимо немедленное определение оптимального уровня увлажнённости грунта. Для этого пробу почвы помещают в фарфоровую чашку, взвешивают, заливают спиртом и поджигают. Когда спирт выгорает, проводят повторное взвешивание. Влажность рассчитывают с помощью той же формулы, как и в случае высушивания образа до постоянной массы.

Методика определения гигроскопического вида влажности

Для исследования используют те же приборы и оборудование, как для высушивания до постоянного веса. 10-15 граммов почвы высушивают, чтоб получить абсолютно сухое состояние. Далее образец растирается и просеивается через сито с сеткой №1 (с ячейками 1 мм). После этого пробу оставляют на воздухе на 2 ч для впитывания влаги из окружающей среды. Дальше образец засыпается в стакан, закрывается крышкой и взвешивается. Затем грунт вновь высушивается и взвешивается. Для расчёта гигроскопической влажности используется стандартная формула, описанная выше.

Измерение увлажнённости мёрзлых грунтов

В такой почве может содержаться жидкая или твёрдая вода. Мёрзлая земля всегда обладает большой естественной влажностью, нередко наравне с полным водонасыщением. Увлажнённость мёрзлых почв бывает суммарной, с ледяными включениями, с холодной водой. Экспериментальным способом определяют суммарную влажность.

Для исследования берут пробу замёрзшей почвы весом 3 кг, которая помещается в сухую ёмкость. Мёрзлая земля взвешивается, после чего оставляется в помещении для оттаивания – при этом глинистые грунты обретают текучее состояние, а песчаные полностью насыщаются водой. Грунтовая жижа тщательно перемешивается, а затем отбирается проба для метода высушивания до постоянного веса.

Суммарная влажность мёрзлой почвы рассчитывается с помощью следующей формулы: Wtot = (m₃ – m₂) / (m₄ – 100 – m₂×(100+W)),

где Wtot – общая масса мёрзлого образца;

m₂ – вес ёмкости;

m₃ – масса образца + ёмкость;

m₄ – вес перемешанной земляной жижи;

W – показатель увлажнённость после оттаивания и перемешивания почвы.

Как определяется влажность на границе раскатывания

Для исследования берут пробу грунта 300 граммов с природной увлажнённостью. Образец измельчается, протирается через сито №1 и оставляется в закрытой таре на пару часов. Далее проба просушивается и растирается до состояния порошка, а затем вновь просеивается.

В полученный порошок вливают дистиллированную воду для получения однородной пасты. Субстанция раскатывается на стекле либо пластинке из пластмассы для получения жгута диаметром 3 мм длиной до 10 см. Этот шнур сминается комком и вновь раскатывается. Процедура повторяется, пока проба не станет распадаться на небольшие сантиметровые фрагменты (смесь можно пронумеровывать). Далее кусочки общим весом до 20 граммов собирают в стакан, а затем определяется их влажность.

Измерение влажности на пределе текучести

В данном случае проводится такая же предварительная подготовка пробы, как в предыдущем методе (мягкая паста, дистиллят). Образец помещается в цилиндр и подносится к балансиру с острым концом (металлический предмет, подвешенный на нитке за штатив). Острым концом балансир опускается под собственным весом.

Если металлический предмет опустится в грунтовую субстанцию на глубину 10 мм за 5 сек., это будет свидетельствовать о достижении влажности предела текучести. При более медленном опускании паста вынимается из цилиндра в тару, куда ещё добавляют дистиллят и повторяют опыт. При слишком быстром опускании балансира грунтовый образец подсушивается на открытом воздухе. В конце испытания увлажнённость определяется с применением методики высушивания.