основы инженерной геологии - Северо

ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
Методические указания
по выполнению лабораторных и практических работ
для студентов, обучающихся по направлению подготовки
130301.65 «Прикладная геология»
Составители: И. И. Босиков, Т. А. Келоев
Владикавказ 2014
0
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)"
Кафедра прикладной геологии
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
Методические указания
по выполнению лабораторных и практических работ
для студентов, обучающихся по направлению подготовки
130301.65 «Прикладная геология»
Составители: И. И. Босиков, Т. А. Келоев
Допущено
редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета).
Протокол заседания РИСа № 3 от 11.04.2014 г.
Владикавказ 2014
1
УДК 624.13
ББК 38.58
Б85
Рецензент
доктор геолого-минералогических наук,
профессор Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета)
Бергер М. Г.
Б85
Основы инженерной геологии. Методические указания по выполнению
лабораторных и практических работ для студентов, обучающихся по направлению подготовки 130301.65 "Прикладная геология" / Сост. И. И. Босиков,
Т. А. Келоев; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский
горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2014. – 58 с.
В методических указаниях даны основные рекомендации по выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Основы инженерной геологии» для студентов, обучающихся по специальности 130301 «Прикладная геология» очной и заочной форм обучения. Методы определения показателей состояния и свойств грунтов изложены в виде инструктивных указаний и сопровождаются описанием приборов и аппаратуры.
Практическим указаниям по определению показателей состояния и физикомеханических свойств предшествует краткое изложение теоретических основ метода.
УДК 624.13
ББК 38.58
Редактор Иванченко Н. К.
Компьютерная верстка Цишук Т. С.
 Составление. ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский
горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)», 2014
Босиков И. И., Келоев Т. А., составление, 2014
Подписано в печать 5.12.2014. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс».
Печать на ризографе. Усл. п.л. 3,37. Уч.-изд. л. 2,35. Тираж 50 экз. Заказ №
.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический
университет). Издательство «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
2
ВВЕДЕНИЕ
Цель дисциплины «Основы инженерной геологии» – ознакомление
студентов с основными закономерностями изменения инженерногеологических условий на территории России, принципами инженерногеологического районирования; опытом изысканий, проектирования,
строительства и эксплуатации инженерных сооружений в различной инженерно-геологической обстановке; характером воздействия хозяйственной деятельности на геологическую среду; принципами составления регионально-временных прогнозов; выработка у студентов навыков
к комплексному анализу и оценке территорий в связи с их инженернохозяйственным освоением.
Задачи дисциплины. в процессе изучения дисциплины студенты
знакомятся с задачами, стоящими перед инженерной геологией в связи с
реализацией планов развития народного хозяйства России; теоретическими основами и методологическими принципами инженерногеологической изучения территорий; задачами и методами инженерногеологического районирования и типизации территорий; существующими схемами инженерно-геологического районирования территорий России и отдельных крупных регионов; влиянием различных геологических
и ландшафтно-климатических факторов на инженерно-геологические
условия территорий и их пространственную изменчивость; инженерногеологической характеристикой отдельных регионов, выделяемых на
территории России опытом изысканий, проектирования, строительства и
эксплуатации сооружений в пределах отдельных выделенных регионов;
влиянием инженерно-хозяйственной деятельности на геологическую
среду и всю природную обстановку.
В результате изучения дисциплины студенты приобретают также
навыки по осуществлению инженерно-геологического районирования
территорий на основе комплексного учета геологических и климатических факторов, оценке условий строительства инженерных сооружений
в пределах выделенных территориальных единиц, составлению регионально-временных прогнозов развития опасных геологических процессов и возможного их воздействия на сооружения и окружающую среду.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: роль инженерной геологии в строительной отрасли; инженерно-геологические классификации горных пород; инженерногеологические условия территорий; виды горных пород и их свойства;
типы подземных вод по условиям залегания, формирования и движения,
химизма и гидродинамики; геодинамические процессы, влияющие на
3
устойчивость зданий и сооружений; структуру и организацию процесса
инженерных изысканий; виды работ в составе инженерных изысканий.
Уметь: отличать основные виды горных пород друг от друга и оценивать их свойства; строить инженерно-геологические и гидрогеологические разрезы; оценивать факторы инженерно-геологической обстановки и определять категории сложности инженерно-геологических условий; разрабатывать и составлять технические задания на изыскания и
программы инженерных изысканий в рамках нормативных требований,
ставить цели и формулировать задачи, связанные с реализацией профессиональных функций; собирать и обрабатывать фондовую и опубликованную геологическую, геохимическую, геофизическую, гидрогеологическую, инженерно-геологическую, эколого-геологическую, техническую и экономико-производственную информацию.
Владеть: понятийно-терминологическим аппаратом в области инженерной геологии; системными знаниями для принятия проектных и
технологических решений при строительстве и эксплуатации различных
зданий и сооружений; методами графического изображения горногеологической информации; способностью анализировать и обобщать
фондовые геологические, геохимические, геофизические, гидрогеологические, инженерно-геологические, эколого-геологические, технические
и экономико-производственные данные.
Правила для студентов
До того, как приступить к работе, студент обязан:
1. Ознакомиться с соответствующими методическими указаниями по выполнению лабораторной и практической работы.
2. Занести в свою тетрадь основные схемы, определения, формулы, обозначения, журналы, таблицы для результатов.
В процессе проведения работ необходимо:
1. Строго соблюдать требования техники безопасности.
2. Выполнять работы только под контролем преподавателя и в
указанной им последовательности.
3. В конце занятия студент должен оформить отчет по работе и
защитить его преподавателю.
4
Лабораторная работа № 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ
Цель работы: ознакомление с методикой лабораторных способов
определения физических характеристик грунтов; использование найденных характеристик для классификации и нормирования грунтов.
Задачи работы:
1. Определение основных характеристик, физических свойств грунтов;
2. Вычисление производных характеристик, физических свойств
грунтов;
3. Классификация грунтов; нормирование грунтов.
Грунтами называются горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие многокомпонентную геологическую систему и
являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.
Грунты могут служить:
– материалом оснований зданий и сооружений;
– средой для размещения в них сооружений;
– материалом самого сооружения.
Грунты разделяются по общему характеру структурных связей на
классы. Различают классы: природных скальных грунтов, природных
дисперсных грунтов, природных мерзлых грунтов, техногенных (скальных, дисперсных, мерзлых) грунтов.
Физические свойства грунтов зависят от соотношения твердых частиц, жидкости (воды) и газа; гранулометрического и минералогического состава; влажности W и плотности частиц грунта .
Следует выделить основные физические характеристики грунта и
производные. Основные определяются только экспериментальным путем и служат для расчета производных характеристик. К последним относят: пористость; коэффициент водонасыщения Sr и др. Основные и
производные характеристики применяются для оценки свойств любых
грунтов: скальных, полускальных, дисперсных. Имеются характеристики, применяемые для классификации только глинистых грунтов: влажность на границе текучести WL , влажность на границе раскатывания Wp,
число пластичности Iр и показатель текучести IL. Физические характеристики используются для классификации грунтов, для выполнения расчетов, для косвенной оценки прочностных и деформационных свойств.
Методы лабораторного определения физических характеристик определены в ГОСТ 5180-84. Классификация грунтов по физическим характеристикам производится по ГОСТ 251000-95.
5
Организация исследования
Работу выполняет бригада из 4–5 студентов. Два человека определяют свойства песчаного грунта, 2–3 человека – глинистого. Исследуются грунты нарушенной структуры. Один студент выполняет все работы,
связанные с взвешиванием. Одновременно производятся все расчеты.
Результаты сразу же показывают преподавателю. При серьезных ошибках работа переделывается.
Определение плотности грунтов методом режущих колец
Плотность грунта определяется из соотношения:

m
, г/см3
V
(1.1)
где m – масса грунта, г;
V – объем грунта, см3.
Плотность грунта зависит от пористости, влажности, минералогического состава и может находиться в пределах от 1,3 до 2,2 г/см3. Для
определения плотности чаще всего применяют метод режущего кольца.
Суть его заключается в том, что кольцо известного объема V врезается в
грунт, а затем путем взвешивания определяют массу m грунта, заключенного в кольце.
Порядок работы
1. Определить массу режущего кольца m1.
2. Определить объем режущего кольца по формуле:
V
d 2
h,
4
(1.2)
где d – внутренний диаметр кольца, см;
h – высота кольца, см. Размеры кольца замеряют с точностью 0,01 см.
3. Поверхность грунта (монолита) выровнять ножом с прямым лезвием. На поверхность поставить кольцо острым краем вниз. Придерживая кольцо рукой, вырезать столбик грунта под кольцом несколько
большего диаметра, чем диаметр кольца. Насадить кольцо на столбик,
6
слегка нажимая на кольцо и не допуская перекосов. Поверхность грунта
должна слегка выступать над верхним концом режущего кольца.
Грунт ниже кольца подрезать "на конус” и кольцо извлечь из грунта.
Избыток грунта, выступающий из кольца, срезать вровень с краями
кольца. Кольцо положить на стол на стекло. Торцы тщательно зачистить,
а мелкие раковины зашпаклевать грунтом.
4. Наружную поверхность кольца тщательно очистить от грунта.
Определить массу кольца с грунтом и стеклом m2 . Массу стекла m3
определить заранее.
5. Определить плотность грунта по формуле:
6.
m  m1  m3
, г/см3 .
(1.3)
 2
V
6. Результаты измерений занести в таблицу
Вид грунта
1
Песчаный
Глинистый
Объем
кольца,
V, см3
кольца,
m1
2
3
Масса, г
кольца с
грунтом и
стеклом, m2
4
стекла,
m3
5
Плотность
, г/см3
6
Определение влажности грунта
Влажностью W называют отношение массы воды mW, содержащейся
в порах грунта, к массе сухого грунта ms и определяется по формулам:
W
mw
, д. ед.,
ms
(1.4)
W
mw
100 % .
ms
(1.5)
или
В лаборатории влажность определяют весовым методом путем
взвешивания пробы влажного грунта и после его высушивания в сушильном шкафу при температуре 100–105 0С до постоянной массы.
Влажность определяют для тех же грунтов, для которых определялась
плотность.
7
Порядок работы
1. Определить массу бюкса (алюминиевый стаканчик) m1
2. В бюкс поместить примерно 20–30 г влажного грунта, извлеченного из кольца после определения плотности. Определить массу бюкса с
грунтом m2.
3. Высушить грунт до постоянной массы и определить массу бюкса
с грунтом после высушивания m3.
4. Вычислить влажность грунта по формуле:
W
m2  m3
, д. ед.
m3  m1
(1.6)
Работа выполняется одинаково для песчаного и глинистого грунтов.
5. Результаты измерений занести в таблицу1.1.
Таблица 1.1 – Результаты измерений
Вид грунта
1
Песчаный
Глинистый
№
бюкса
бюкса, m1
2
3
Масса, г
бюкса с
влажным
грунтом, m2
4
бюкса с
влажным
грунтом, m3
5
Влажность
W, д.ед
6
Определение характерных влажностей, числа пластичности
и показателя текучести глинистого грунта
При изменении влажности свойства глинистых грунтов существенно меняются. В зависимости от содержания воды, количества и минералогического состава глинистых частиц грунт может иметь твердую, пластичную или текучую консистенцию. Для классификации глинистых
грунтов и оценки их состояния по консистенции необходимо знать те
характерные влажности Wp и WL, при которых грунт переходит из твердого состояния в пластичное, а из пластичного состояния в текучее. Характерные влажности Wp и WL называют также границами пластичности:
Wp – нижний предел пластичности, WL – верхний предел пластичности.
Кроме того, часто используют термины: WP – граница раскатывания, WL
– граница текучести. Введение границ между консистенциями достаточно условно. Поэтому для определения Wp и WL ГОСТ 5180-84 предусматривает стандартные испытания, условия которых следует тщательно
исполнять.
8
Определение нижнего предела пластичности
(Wp – границы раскатывания)
Границей раскатывания считают такую влажность, при которой
грунт, раскатываемый в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на
кусочки длиной 3–8 мм. Определение границы раскатывания состоит в
подборе (путем подсушивания) такой влажности, при которой из грунта
удается получить требуемый жгут.
Работа производится в следующей последовательности:
1. Из грунта, растертого после просушивания и просеянного через
сито с ячейками 1 мм, и воды приготавливают в фарфоровой чашке густое грунтовое тесто.
2. Приготавливаемое тесто тщательно перемешивают, берут из него
небольшой комочек и раскатывают пальцами на стеклянной пластинке,
глянцевой бумаге или ладони до образования жгута диаметром около 3
мм. Раскатывание ведут, слегка нажимая на жгут. Длина жгута не должна превышать ширины ладони. Если при этой толщине жгут сохраняет
пластичность и связность, его собирают в комочки и вновь раскатывают
до диаметра 3 мм. Операцию повторяют до тех пор, пока жгут диаметром 3 мм, не покроется сетью трещин и начнет распадаться на кусочки
длиной до 8–10 мм.
3. Кусочки жгута помещают в заранее взвешенный стаканчик. Во
время работы для предохранения кусочков жгута от высыхания стаканчик следует держать закрытым. Необходимо набрать не менее 10 г кусочков грунта. Далее определяют влажность в соответствии с п. 2. Результаты заносят в таблицу (см. ниже).
Определение верхнего предела пластичности
(Wl – границы текучести)
Под границей текучести подразумевают такую влажность, при которой погружается в стандартный конус весом 76 г с углом при вершине 30 грунтовое
тесто на 10 мм за 5 с. Работа производится в
следующей последовательности:
1. Грунтовое тесто с помощью шпателя
переносят (“вмазывают”) в стандартный металлический стаканчик, не допуская наличия воздушных полостей. Поверхность грунта заглаживают вровень с краями стаканчика.
2. Стаканчик устанавливают на подставРисунок 1.1 – Балансирный
ку
(рис.1.1).
конус А. М. Васильева.
9
К поверхности грунта подносят острие конуса, смазанного тонким
слоем вазелина, так, чтобы острие его коснулось поверхности грунта.
Отпускают конус, включая одновременно секундомер, и следят в течение 5 с за погружением конуса под влиянием собственного веса.
3. Погружение на 10 мм. (до риски) в течение 5 с. показывает, что
влажность грунтового теста соответствует влажности на границе текучести. В этом случае из стаканчика берут пробу 10–15 г и определяют ее
влажность в соответствии с п.2.
4. Погружение конуса на глубину менее 10 мм за 5 с служит показателем того, что влажность грунта ниже влажности на границе текучести.
В этом случае грунтовое тесто перекладывается в чашку, и после добавления воды и тщательного перемешивания опыт повторяют.
5. Если конус погрузится в грунт более чем на 10 мм, то следует добавить сухого грунта, смесь тщательно перемешать и повторить опыт.
Результаты испытаний заносят в таблицу 1.2.
Таблица 1.2 – Результаты испытаний.
Пределы
пластичности
1
Нижний Wp
№
бюкса
2
бюкса,
m1
3
Масса, г
бюкса с
влажным
грунтом,
m2
4
бюкса с
влажным
грунтом,
m3
5
Влажность
W, д. ед
6
Верхний WL
Определение производных физических характеристик грунтов
На основании трех основных физических характеристик расчетным
путем следует определить производные характеристики грунтов.
Ниже использованы обозначения:
V – объем всего грунта;
V3 – объем частиц грунта;
Vп – объем пор;
VW – объем воды;
m – масса всего грунта, равная m = mW + ms, где mW – масса воды в
грунте;
ms – масса частиц в грунте. При расчетах плотность частиц грунта ρs
– задается преподавателем.
10
Плотность сухого грунта
Плотностью сухого грунта ρd называют отношение массы сухого
грунта (частиц грунта) к объему всего грунта при ненарушенной структуре и определяют по формуле:
d 
ms
.
V
(1.7)
Величина ρd характеризует плотность сложения грунта и особенно
широко используется для оценки качества уплотнения грунтов в подушках, насыпях и других земляных сооружениях.
Плотность сухого грунта вычисляют по формуле:
d 

1W
, г/см3.
(1.8)
Пористость грунта
Пористостью n называют отношение объема пор ко всему объему
грунта:
V
V
(1.9)
n  n , д. ед. или n  n 100 , %
V
V
Пористость часто выражают в процентах. Пористость вычисляют по
формулам:


или n  1 
, д. ед.
(1.10)
n  1
s (1  W )
s (1  W )
Коэффициент пористости
Коэффициентом пористости e называют отношение объема пор к
объему частиц грунта:
V
(1.11)
e  n , д. ед.
Vs
Понятие коэффициента пористости используется чрезвычайно широко, так как при воздействиях на грунт объем частиц остается постоянным, а изменение объема пор наглядно характеризуется изменением е.
Коэффициент пористости определяют по формулам:

 (1  W )
e s
 1 или e  s  1 , д.ед.

d
11
(1.12)
Коэффициент водонасыщения
Коэффициентом водонасыщения Sr называют степень заполнения
объема пор водой и определяют по формуле:
Sг 
VW
, д. ед.
Vп
(1.13)
Крупнообломочные и песчаные грунты по коэффициенту водонасыщения называются:
– малой степени водонасыщения 0  Sr  0,5
– средней степени водонасыщения 0,5  Sr  0,8
– насыщенные водой 0,8  Sr  1
Коэффициент водонасыщения вычисляют по формуле:
Sг 
Ws
, д. ед.,
e W
(1.14)
где W – плотность воды, равная 1 г/см3.
Определение числа пластичности глинистых грунтов
Числом пластичности Iр называют разность влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания Wp.
Iр = WL – Wp , %
(1.15)
По ГОСТ 25100-95 WL и Wp выражаются в процентах.
Число пластичности характеризует величину интервала влажности,
в пределах которого глинистый грунт сохраняет пластичное состояние.
12
Определение показателя текучести глинистых грунтов
Показателем текучести IL называют отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта, естественному W и на
границе раскатывания Wp, к числу пластичности Iр,
IL 
W  WP
, д. ед.
IP
(1.16)
Показатель текучести IL используется для численной оценки консистенции грунта. Поэтому нередко его еще называют и показателем консистенции.
Классификация и нормирование грунтов
Для оценки строительных свойств грунтов производится их классификация по ГОСТ 25100-95 и нормирование по СНиП 2.02.01-83.
Для песчаных грунтов определяют:
1. Разновидность по гранулометрическому составу;
2. Разновидность по плотности сложения (по е);
3. Разновидность по степени водонасыщения (по Sr) (табл. Б.10,
Б.17 и Б.18 ГОСТ 25100-95)
Для глинистых грунтов определяют:
1. Разновидность по показателю пластичности Ip;
2. Разновидность по гранулометрическому составу и числу пластичности Ip;
3. Разновидность по показателю текучести IL .
Гранулометрический состав грунтов сообщает преподаватель. На
основании физических характеристик и классификации грунтов производится косвенное определение модуля деформации Е и расчетного сопротивления R0 основания (по Прил.1 и 3 СНиП 2.02.01-83). Эти параметры используют для предварительных расчетов при определении размеров фундаментов, а в некоторых случаях, специально оговоренных в
п.2.16, 2.42, 3.10,8.4 и 11.5 СНиП 2.02.01-83, и для назначения окончательных размеров фундаментов. Результаты классификации и нормирования сводятся в таблицу:
13
Разновидность песка
Вид
грунта
1
песок
Вид
грунта
1
Глинистый
по гранулометрическому
составу
2
по коэффициенту водонасыщения Sr
по коэффициенту пористости е
Расчетное
сопротивление R0,
кПа
Модуль
деформации Е,
МПа
3
4
5
6
Разновидность глинистого грунта
по грансопо показаставу и
по пока- Коэфф.
порителю пла- показатезатею
стичности
лю платекуче- стости e
Ip
стичности сти IL
Ip
2
3
4
5
Расчетное
сопротивление R0,
кПа
Модуль
деформации Е,
МПа
6
7
Кроме того, необходимо по табл. Б.27 ГОСТ 25100-95 определить
относительную деформацию пучения εfh и оценить разновидность песка
и глинистого грунта по пучинистости при промерзании.
14
Лабораторная работа № 2
СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ. МЕТОД КОМПРЕССИОННОГО
СЖАТИЯ
Цель работы – ознакомление с методикой основного лабораторного способа оценки сжимаемости грунтов и использование найденных
характеристик для расчета осадки основания.
Задачи работы:
1. Испытание грунта на сжимаемость в компрессионном приборе;
2. Определение характеристик сжимаемости;
3. Расчет стабилизированной осадки слоя грунта.
Сжимаемостью грунтов называется их способность уменьшаться в
объеме под действием внешней нагрузки. Как правило, считается, что
сжимаемость обусловлена уменьшением пористости, а частички скелетной части грунта и вода в порах несжимаемы. Разумеется, это положение не относится к частицам органического происхождения. Сжимаемость грунтов при испытании компрессионным методом характеризуется компрессионной кривой, выражающей зависимость изменения коэффициента пористости от давления, передаваемого на грунт.
Метод компрессионного сжатия используют для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости
m0, модуля деформации Е, структурной прочности на сжатие Рstr. Эти
характеристики определяют по результатам испытания образцов грунта
в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность
бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной
нагрузкой. Характеристики сжимаемости (деформативности) необходимы для расчета осадок оснований и земляных сооружений.
Определение характеристик сжимаемости с помощью прибора
компрессионного сжатия КПР-1 гидропроекта
Описание прибора и оборудования
В состав установки для испытания входят компрессионнофильтрационный прибор (одометр) (рис.2.1а) и рычажный пресс секторного типа (рис.2.1б). Основой прибора служит база 1, с верхней стороны
которой выточено углубление, в котором уложено перфорированное дно
2. Вода через отверстия в дне 2 отводится или подводится к образцу
грунта через штуцер 3. Кольцо-обойма 4 ввинчивается в базу 1 и являет15
ся направляющим для зажимного кольца 5, в котором находится образец
грунта. С одного конца зажимное кольцо 5 заточено в виде ножа.
Рисунок 2.1 – Компрессионно-фильтрационный прибор (одометр)
конструкции Гидропроекта.
Стяжное кольцо 6 ввинчивается в кольцо-обойму 4 и прижимает
кольцо 5 с грунтом к днищу 2. На образец устанавливается штамп 7, который имеет возможность
вертикального перемещения в направляющем зажимном кольце 6. Внутренняя поверхность кольца
4 должна быть смазана машинным маслом. Система
измерения
вертикальных
перемещений штампа 7
включает консольный держатель 8, на котором закрепляется индикатор перемещений часового типа 9
с ценой деления 0,01 мм.
Рычажный пресс секторного типа включает загрузочную рамку 10, соединенную с тяговым тросом 11
посредством
натяжного
винта 12 с гайкой 13. К секРисунок 2.2 – Схема установки испытания
тору 14 прикрепляется гру16
зовой трос 15 с подвеской 16. Секторный рычаг уравновешивается противовесом 17. Рычажная система увеличивает вертикальную нагрузку от
веса гирь 18 в 10 раз. Кроме того, необходимо иметь: нож с прямым лезвием, фильтровальную бумагу, ветошь.
Порядок работы
Подготовка к испытанию
Работа проводится с заранее подготовленным глинистым грунтом
пластичной консистенции нарушенной структуры.
1. Кольцо 5 ставится острым краем на образец грунта и легким
нажимом постепенно врезается в грунт. Лишний грунт вокруг кольца 5
удаляется ножом. Верхний и нижний торцы образца очень тщательно
выравниваются ножом вровень с краями кольца. После этого кольцо 5 с
внешней стороны тщательно очищается, протирается ветошью и смазывается. На торцы образца укладываются кружки фильтрованной бумаги,
смоченные водой.
2. Кольцо 5 с образцом устанавливается острым краем вверх на
днище 2 одометра.
3. На кольцо 5 одевается кольцо-обойма 4, строго соблюдая соосность и исключая перекосы. Силу не применять! Кольцо-обойма 4 ввинчивается в базу 1 до упора.
4. В верхнюю часть кольца-обоймы 4 ввинчивается стяжное кольцо
6, обращенное острым краем вниз. Оно должно прижать кольцо 5 с
грунтом к днищу 2.
5. Сверху на образец устанавливается штамп 7.
6. На штамп 7 устанавливают консольные держатели 8 с индикаторами 9.
7. Смонтированный одометр ставится на панель стола 19 пресса так,
чтобы углубление в дне одометра попало на штифт, выступающий из
панели стола 19.
8. В гнездо штампа 7 укладывается шарик.
9. Упор загрузочной рамки 10, передающий вертикальное усилие,
опускается так, чтобы верхняя половина шарика заняла место в углублении упора рамки 10.
10. Вращением гайки 13 выпрямляется тяговый трос 11. При этом
сектор 14 должен занять горизонтальное положение.
11. Поворотом шкалы индикаторов устанавливают начальный нулевой отсчет стрелок приборов.
17
Проведение испытания
Вертикальная нагрузка на образец создается с помощью гирь, устанавливаемых на подвес 16. Гири необходимо ставить очень плавно, без
ударов. Испытание ведется при ступенчато-возрастающей нагрузке.
Каждая ступень нагрузки выдерживается до тех пор, пока не наступит
условная стабилизация деформации грунта. По ГОСТу 12248-96 за критерий условной стабилизации деформаций принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм за последние 4 часа наблюдений для
песков, 16 часов – для глинистых грунтов и 24 часа – для биогенных
грунтов. Учебный опыт производится ускоренно: каждая ступень
нагрузки выдерживается 7 минут. Испытание производится при трех
ступенях давления: Р1 = 50 кПа; Р2 = 100 кПа; Р3 = 200 кПа.
1. Загрузить подвеску 16 гирей 3 кг (Р1 = 50 кПа) и взять нулевой
отсчет времени.
2. Записать в журнал испытаний отсчеты по индикаторам 9 через 1,
3, 5, 7 минут с момента приложения ступени.
3. Аналогично произвести испытания при Р2 = 100 кПа (масса гирь
6 кг) и Р3 = 200 кПа (масса гирь 12 кг).
4. Произвести постепенную разгрузку по ступеням в течение 6 минут (2 минуты на ступень разгрузки) и записать показания индикаторов
9 в журнал.
5. Произвести разборку прибора в следующей последовательности:
1. Открутить гайку 13 и натяжной винт 12.
2. Снять индикатор 9.
3. Снять упор загрузочной рамки 10.
4. Разобрать одометр, промыть и протереть ветошью.
Обработка результатов испытаний
Результаты испытаний заносятся в журнал.
Журнал испытания грунта методом компрессионного сжатия:
Дата
№
испыта- ступений
ни
нагруз
ки
1
2
Время
снятия
отсчета
по индикатору от
начала
опыта,
мин
3
Масса Давле- Показа- ОтносиКоэфф.
груза ние на ние интельная пористости
на
обра- дикатора деформагрунта
подзец
дефорция об- ei  e0   i (1  e0 )
веске грунта мации
разрыча- Р, МПа образца,
ца S
га, кг
S , мм
i  i
h
4
5
18
6
Право,
лево
7
8
По результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:
а) относительную стабилизированную вертикальную деформацию
образца i, за которую принимают деформацию при выдерживании ступени нагрузки в течение 7 минут
S
(2.1)
i  i ,
h
где Si – вертикальная деформация образца к моменту завершения выдержки очередной ступени нагрузки;
h – начальная высота образца, равная 25 мм.
б) значение коэффициентов пористости еi грунта при давлении Рi в
момент окончания выдержки очередной ступени нагрузки, вычисляемые
по формуле:
ei  e0   i (1  e0 ) ,
(2.2)
где е0 – начальный коэффициент пористости грунта при нулевом давлении (задается преподавателем).
По вычисленным значениям еi строят график компрессионной зависимости еi = f(Pi).
Рисунок 2.3 – График компрессионной зависимости.
По графику определяют коэффициент сжимаемости m0, равный тангенсу угла наклона компрессионной кривой, выровненной в интервале
давлений Рi и Pi+1
e e
(2.3)
m0  i i 1 , МПа–1,
Pi 1  Pi
где еi и еi+1 – коэффициенты пористости, соответствующие давлениям Рi
и Pi+1.
19
Модуль деформации Е, МПа в интервале давлений Рi и Pi+1 вычисляют по формулам:
P P
1  e0
(2.4)
E  i 1 i   или E 
 ,
m0
i 1  i
где i и i+1 – значения деформаций относительного сжатия, соответствующие давлениям Рi и Pi+1;
 – коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе, вычисляемый по формуле:
  1 
2v 2
,
1 v
(2.5)
где  – коэффициент поперечной деформации, принимаемый равным:
0,3–0,35 – для песков и супесей;
0,35–0,37 – для суглинков;
0,2–0,3 – при IL при 0–   IL  0,38–0,45 при 0,25 0,25  IL
принимают при большей плотности грунта.  – для глин. При этом
меньшие значения   IL
Модули деформации пылевато-глинистых грунтов, определенные
при компрессионных испытаниях, не считаются вполне достоверными.
Поэтому они должны корректироваться. Для зданий I и II класса корректировка должна производиться путем параллельно проводимых сопоставительных испытаний штампами, зондированием, либо прессиометрами.
Для зданий III класса допускается производить расчет осадок по результатам компрессионных испытаний глинистых грунтов с показателем текучести 0,5 < IL, с использованием корректировочной формулы:
Е = mk Ek ,
(2.6)
где Ек – модуль деформации, определенный по компрессионным испытаниям в интервале давлений 0,1–0,2 МПа;
mк – корректировочный коэффициент, определенный на основе массовых сопоставительных испытаний грунтов в компрессионных приборах и штампами в полевых условиях:
Вид
грунта
Супеси
Суглинки
Глины
Значение коэффициентов mк при коэффициенте пористости е0 ,
равном
0,45
0,55
0,65
0,75
0,85
0,95
1,05
4
4
3,5
3
2
–
–
5
5
4,5
4
3
2,5
2
–
–
6
6
5,5
5
4,5
20
Задача по определению конечной статилизированной осадки
слоя грунта при сплошной равномерно распределенной нагрузке
Такая задача является одномерной, так как деформации возникают
только в вертикальном направлении. Горизонтальных деформаций,
как и в компрессионном приборе,
нет. Для определения осадки слоя
используют результаты компрессиРисунок 2.4 – Компрессионные
онных испытаний. При расчете
испытания
принимают, что давление на грунт
изменяется от начального природного, рассчитанного для середины
слоя, до конечного.
В качестве конечного давления принимают сумму среднего природного давления и дополнительного. Конечная стабилизированная осадка
слоя вычисляется по формуле:
P  h 
.
S 0
h
(2.7)
Исходные данные: мощность слоя h = 10 м, дополнительное давление Р0 = 0,2 МПа. Плотность грунта задает преподаватель.
21
Лабораторная работа № 3
СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ
Цель работы – ознакомление с методом одноплоскостного среза и
применение параметров прочности при расчете устойчивости подпорной
стенки.
Задачи работы: 1. Проведение испытания на прямой срез;
2. Определение прочностных характеристик грунта;
3. Решение задачи с применением прочностных характеристик.
Сопротивление сдвигу характеризует прочность грунтов. В настоящее время считается, что разрушение грунта происходит в тот момент,
когда величина касательных напряжений на поверхности разрушения
достигает своего предельного значения, равного сопротивлению грунта
сдвигу
τпр = P·tgφ + C,
(3.1)
где τпр – нормальные и касательные напряжения, соответственно, действующие на поверхность разрушения,
 – угол внутреннего трения грунта;
С – удельное сцепление,
Р – напряжение.
Цель испытания грунтов на прочность – определить значения τпр,
соответствующие различным значениям Р, выписать систему уравнений
(как минимум двух) (3.1), и найти из решения системы два неизвестных
– С и  параметры прочности.
Параметры прочности могут быть найдены с помощью разных приборов, например, трехосного сжатия, одноосного сжатия с фиксированной плоскостью разрушения, кручения, вращательного сдвига. Однако
наиболее простое и наглядное испытание проводят на приборах прямого
сдвига, которые по ГОСТ 12248-96 называют приборами одноплоскостного среза.
Определение характеристик прочности
методом одноплоскостного среза
Сущность метода
1. Образцы грунта испытывают в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой. Сдвиг производят возрастающей касательной
22
(горизонтальной) нагрузкой при одновременном воздействии на образец
постоянной нагрузки, нормальной к плоскости среза.
2. Сопротивление срезу определяют как предельное касательное
напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной
плоскости при заданном напряжении Р.
1 – основная часть прибора; 2 – рычажная система для вертикальной
нагрузки с подвесками для грузов; 3 – противовес рычажной системы 2; 4 –
струбцина для крепления прибора и рычажной системы 2; 5 – рычаг для горизонтальной нагрузки с подвеской и грузами; 6 – индикатор вертикальных перемещений поршня; 7 – индикатор горизонтальных перемещений нижней каретки;
8 – грузовой подвес вертикальной нагрузки; 9 – грузовой подвес горизонтальной нагрузки; 10 приспособление для перемещения образца грунта из гильзы в
прибор; 11 – грунтоотборная гильза
Рисунок 3.1 – Общий вид прибора П10-С для испытания грунтов на сдвиг.
Оборудование и приборы
Испытание производится на приборе П 10-С (рис. 3.1 и 3.2). Прибор
состоит из (рис.3.2):
– срезной коробки, состоящей из разрезной гильзы 5, имеющей
верхнюю неподвижную и нижнюю подвижную часть; внутренний диаметр гильзы 56,5 мм, площадь сечения 25 см2, высота 20 мм;
– подвижной каретки 6, на которую устанавливается нижняя часть
разрезной гильзы 5;
– перфорированного поршня со штоком 2 ;
– двух индикаторов 1 для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений с ценой деления 0,01 мм.
Механизм для вертикального нагружения образца грунта (рис.3.1)
состоит их рычажной системы, включающей телескопический рычаг 2 с
подвесками для грузов 8 и противовеса 3. Механизм для горизонтально23
го нагружения (создания касательной нагрузки) (рис.3.1) состоит из рычага 5 с подвеской для грузов 9. Рычажные системы дают 25 – кратное
увеличение нагрузки. Противовес 3 (рис.3.1) служит для предварительного уравновешивания веса рычажной системы вертикальной нагрузки.
До загружения подвеса 8 давление на шток поршня 2 (рис. 3.2) должно
быть равно 0. Кроме того, в комплект оборудования должны входить: 1 –
грунтоотборная гильза 11 (рис.3.1); 2 – приспособление 10 для перемещения образца грунта из гильзы 11 в прибор (рис.3.1); 3 – лопатка; 4 –
пестик для уплотнения грунта в гильзе; 5 – нож с прямым лезвием; 6 –
фильтровальная бумага.
1 – индикатор; 2 – шток с поршнем; 3 – цилиндр; 4 – винт тормозной; 5 – разрезная гильза; 6 – каретка; 7 – рычаг; 8 – держатель рычага, 9 – винт упорный;
10 – основание прибора.
Рисунок 3.2 – Разрез по основной части прибора
24
Порядок работы
Подготовка к испытанию
Работа проводится с песчаным влажным грунтом нарушенного сложения. Плотность образцов принимается одинаковой во всех опытах.
1. Устанавливается прибор на край стола. При помощи струбцины 4
(рис.3.1) основание прибора 10 (рис.3.2) надежно прикрепляют к столу.
2. С верхней части прибора снимают направляющий цилиндр 3 с
траверсой и поршнем 2 (рис.3.2).
3. Горизонтальными упорными винтами 9 (рис.3.2), находящимися
у основания прибора, завинчивая их до отказа, фиксируют неподвижность каретки 6.
4. В пазы каретки 6 укладывают нижнюю часть разрезной гильзы 5,
а сверху соосно с ней устанавливают верхнюю часть разрезной гильзы 5.
5. На перфорированное днище прибора укладывают кружок фильтровальной бумаги, смоченной водой.
6. Образец грунта нарушенной структуры изготавливают в грунтоотборной гильзе 11 (рис.3.1). Для этого гильза ставится на лист бумаги,
уложенный на гладкую поверхность стола, и заполняется влажным песчаным грунтом с трамбованием пестиком. Трамбование производится
легкими ударами пестика при послойной укладке песка в гильзу. У торцов грунт тщательно выравнивается вровень с краями гильзы. Затем
гильза с грунтом взвешивается. Вес гильзы с грунтом не регламентируется, однако во всех опытах должен быть постоянным.
Один из членов бригады определяет влажность грунта (см. лабораторную работу №1)
7. На режущую заостренную часть гильзы 11 надевают направляющий цилиндр приспособления 10 (рис.3.1) для перемещения образцов
грунта и при помощи поршня-выталкивателя образец грунта перемещают в прибор. На верхний торец образца укладывают кружок смоченной
фильтровальной бумаги.
8. Устанавливают на место верхнюю часть прибора с поршнем 2
(рис.3.2) и закрепляют ее с помощью четырех гаек.
9. Плотно прижимают к поверхности грунта поршень 2, и фиксируют его положение винтом 4 (рис.3.2).
10. В соответствующих гнездах закрепляют два индикатора 1
(рис.3.2): один для замера деформации сжатия, другой – деформации
сдвига. Индикаторы закрепляют в таком положении, чтобы подвижные
части ножек были вдвинуты на 70–80 % свободного хода.
11. Устанавливают телескопический рычаг 2 (рис.3.1) для вертикальной нагрузки, закрепляя его на струбцине 4 (рис.3.1).
25
12. Устанавливают подвесы для груза и противовеса 3 и 8 (рис.3.1).
Уравновешивают эту рычажную систему, используя гирю противовеса
массой 0,5 кг.
13. Отпускают тормозной винт 4 поршня (рис.3.2).
14. Устанавливают рычаг для горизонтальной нагрузки 5 с подвеской (рис.3.1)
15. Поворотные шкалы индикаторов деформации 1 (рис.3.2) устанавливают на нулевые деления.
Проведение консолидированно-дренированного испытания
Схема консолидировано-дренированного испытания применяется
для определения прочностных характеристик грунта при его 100 % консолидации под действием заданного нормального напряжения. Нагружение образца проводят плавно без ударов, загружая подвесы гирями.
Стандартные гири имеют массу 0,1; 0,2 и 0,5 кг. Расчет напряжений, передаваемых на образец, производят из следующих соображений. Рычажные системы вертикальной и горизонтальной нагрузок дают 25-кратное
увеличение веса груза. Площадь среза равна 25 см2 10или 25-4 м2. Нормальная N и сдвигающая Т силы, действующие на плоскость среза равны:
N = 25Q1g, H,
(3.2)
T = 25Q2g, H,
(3.3)
где Q1 и Q2 – массы грузов на рычагах, создающих вертикальное и горизонтальное усилия, кг. Нормальные и касательные напряжения вычисляются по формулам:
N 25  Q1  g
P 
H/м 2  Q1  g 10  2 , МПа , (3.4)

4
A 25 10
* 




Т 25  Q2  g

H/м 2  Q2  g 10  2 , МПа . (3.5)

4
A 25 10
Рычаг горизонтальной нагрузки неуравновешен и его собственный
вес создает дополнительное сдвигающее напряжение, равное 0,0108 МПа.
Поэтому полная величина касательного напряжения равна:
τ = τ* + 0,0108, МПа
(3.6)
Примечание : при расчетах допускается округление (например,
Р = 0,0981 МПа = 0,1 МПа).
26
1. В дальнейшем описании воспользуемся округленными значениями напряжений.
2. Определение сопротивления срезу производится не менее чем при
трех различных значениях Р. Рекомендуется выполнить три опыта на
срез при вертикальных напряжениях: Р1 = 0,1; Р2 = 0,2; Р3 = 0,3 МПа.
Для первого опыта при Р = 0,1 МПа необходимо поставить на подвес 8
(рис.3.1) гири массой 1 кг. Вертикальную нагрузку выдерживают до
условной стабилизации деформации сжатия. Для учебных опытов принимают, что деформация стабилизировалась, если деформация сжатия не
превышает 0,1 мм за 1 минуту.
3. После условной стабилизации вертикальной деформации сжатия
образца вывинчивают горизонтальные винты 9 (рис.3.2) на 5–6 мм для
обеспечения возможности горизонтального перемещения каретки 6
(рис.3.2)
4. Горизонтальную нагрузку прикладывают ступенями. Для этого
нагружают гирями подвес 9 (рис. 3.1). Гири для каждой ступени выбирают так, чтобы приращение касательных напряжений в плоскости среза
не превышало 10 % значения нормального напряжения. Например, при
Р1 = 0,1 МПа τ должно быть не более 0,01 МПа, то есть масса очередной гири не должна превышать 0,1 кг. При Р2 = 0,2 МПа масса очередной гири не должна превышать 0,2 кг, при Р3 = 0,3 МПа – 0,3 кг. При
достижении 0,6–0,7 от ожидаемой величины предельной нагрузки среза
ступени нагружения уменьшают в 2–3 раза. Каждую ступень горизонтальной нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации
сдвига. За условную стабилизацию принимают скорость деформации, не
превышающую 0,01 мм/мин. Показания индикатора горизонтальных деформаций при каждой ступени нагружения записывают в журнал испытаний.
5.Испытание считают законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв)
одной части образца по отношению к другой или общая деформация
сдвига превышает 5 мм. При срыве в журнале испытаний вместо величины деформации сдвига пишут слово «срез».
6. После среза прибор перезаряжают, приготовив образец грунта такой
же плотности, как и первый. Второй опыт проводят при Р2 = 0,2 МПа, а
третий при Р3 = 0,3 МПа.
7. На основании проведенных испытаний сразу же строят график сдвига (см. ниже). Если какая-либо точка графика весьма существенно отклоняется от положения осредняющей прямой, это испытание повторяют.
8. После окончания испытаний необходимо разобрать прибор и
тщательно очистить его от грунта.
27
Таблица 3.1 – Журнал испытаний на срез
Дата Давление на Масса груза Сдвигающее
Показание
испы- образец
на подвесе
касательное
индикатора
таний грунта. Рi , рычага сдви- напряжение
деформации
МПа
гающей
i = Q2i g 10-2+ сдвига l, мм
нагрузки, Q2i, + 0,0108; МПа
кг
1
2
3
4
5
Абсолютная
деформация
грунта в момент среза, 
lпр, мм
6
Обработка результатов
1. По измеренным в процессе испытания значениям сдвигающей и
нормальной нагрузки по формулам (3.4) и (3.6) вычисляют касательные
и  i нормальные напряжения и Рi и заносят в журнал испытаний.
2. По измеренным в процессе испытания значениям деформаций
сдвига, соответствующим возрастающим касательным напряжениям,
строят графики зависимостей l = f(), τпр = f(Р) (см. рис.2.3) для каждого
из трех испытаний.
3. При построении графика сдвига пр = f (Р) значения  и Р откладываются в одном и том же масштабе: 0,1 МПа = 2 см. По полученным точкам
проводится осредненная прямая, которая и называется графиком сдвига.
Удельное сцепление С и угол внутреннего трения  определяют как параметры линейной зависимости (3.1.). Угол определяется по значению тангенса угла наклона прямой графика сдвига к оси абсцисс; С определяется
величиной отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат, а удельное сцепление С и угол внутреннего трения  вычисляют по формулам:
tg  
n
 i  Pi   i   Pi ,
n ( Pi ) 2  ( Pi ) 2
i  ( Pi ) 2   Pi   i Pi

C
,
n ( Pi ) 2  ( Pi ) 2
(3.7)
(3.8)
где n – число испытаний; i = пр,i – опытные значения сопротивления
срезу, определенные при различных значениях Рi.
Расчет устойчивости подпорной стенки на скальном основании
Устойчивость подпорной стенки проверяется на сдвиг по подошве
(плоский сдвиг), а опрокидывание – относительно наружной грани от
28
давления грунта. На рисунке приведена схема и исходные данные к расчету.
Дано: Н = 3 м; b = 1 м. Грунт засыпки – песок. Угол внутреннего
трения песка принимается по результатам лабораторной работы. Значением удельного сцепления С для песчаного грунта можно пренебречь,
что идет в запас прочности. Удельный вес грунта засыпки принимается
по результатам лабораторной работы.
Последовательность расчета
1.Подсчитать собственный вес 1 п.м. подпорной стенки G, приняв
удельный вес материала м = 23 кН/м3.
2.Определить величину удерживающего момента при ее опрокидывании относительно точки А:
М уд
b
 G2
, кНм.
(3.9)
3.Найти опрокидывающий момент от воздействия активного давления грунта засыпки:
М опр  Еа 
Н
, кНм,
З
(3.10)
где Еа – активное давление грунта засыпки, определяемое как равнодействующая,
2max – эпюры горизонтального давления
Еа  2 max 
Н l
, кН,
2
(3.11)
где l – длина участка подпорной стенки, равная 1 м;
2max = Н  tg2(45 – φ/2), кН/м2 ,
(3.12)
где – удельный вес грунта засыпки, кН/м3.
4. Подпорная стенка считается устойчивой на опрокидывание, если
выполняется условие:

29
М уд
М опр
 1,2,
(3.13)
где – коэффициент устойчивости.
5. Подпорная стенка считается устойчивой против плоского сдвига,
если выполняется условие:
 F
FSa  c Sr ,
n
(3.14)
где Fsa – сдвигающая сила, равная 1,2;
 с – коэффициент условий работы основания, равный 1 для скального грунта;
n – коэффициент надежности по назначению сооружения (принять 1.1);
FSr – удерживающая сила, принимаемая равной силе трения подошвы по основанию
FSr = G f ,
(3.15)
где f – коэффициент трения подошвы по скальному грунту (принять f = 0,65).
6.Сделать заключение по результатам расчета.
30
Лабораторная работа №4
ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ
Цель работы: оценка водопроницаемости песчаного грунта и использование коэффициента фильтрации при прогнозе скорости стабилизации осадки основания.
Задачи работы:
1) Ознакомление с методикой определения коэффициента фильтрации на приборе КФ–00М;
2) решение задачи с применением коэффициента фильтрации.
При ламинарном характере течения воды через грунт справедлив
закон Дарси:
V = K I,
(4.1)
где V – скорость фильтрации, равна расходу воды, отнесенному к поперечному сечению фильтрующего грунта, за единицу времени;
I – градиент напора, равный отношению напора к длине пути фильтрации.
Коэффициентом фильтрации К называют скорость фильтрации воды при градиенте напора, равном единице и линейном законе фильтрации.
Коэффициент фильтрации песчаных грунтов определяют при постоянном заданном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или
снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой
снизу вверх. Для насыщения образцов грунта и фильтрации применяют
грунтовую воду с места отбора образца или воду питьевого качества.
Количество частных определений коэффициента фильтрации должно
составлять не менее 6.
Определение коэффициента фильтрации в приборе КФ–00М
по ГОСТ 25584-90
Прибор и оборудование
В состав прибора КФ–00М, конструкция которого приведена на рисунке 4.1, входят: фильтрационная трубка 1, состоящая из прямого полого цилиндра внутреннем диаметром 56,5 мм (площадь поперечного сечения трубки 25 см2) и высотой 100 мм с заостренными краями, перфорированного дна 3 с отверстиями размером 2х2 мм, надеваемого на нижнюю часть цилиндра 1, и муфты 2 с латунной сеткой 4, устанавливаемой
31
1 – цилиндр; 2 – муфта; 3 – перфорированное дно; 4 – латунная сетка; 5 –
подставка; 6 – корпус; 7 – крышка; 8 –
подъемный винт; 9 – стеклянный баллон со шкалой объема фильтрующейся
жидкости; 10 – планка со шкалой градиентов напора;11 – испытуемый образец грунт
на верхней части цилиндра; мерный стеклянный баллон (мариоттов
сосуд) 9 объемом 140 см3 и высотой 110 мм со шкалой объема
фильтрующейся жидкости; телескопическое приспособление для
насыщения грунта водой и регулирования градиента напора, состоящее из подставки 5, подъемного
винта 8, планки 10 со шкалой градиентов напора от 0 до1 ценой деления 0,02; корпуса 6 с крышкой 7.
Кроме того, в комплект оборудования должны входить:
1.Весы лабораторные.
2. Термометр.
3. Секундомер.
4. Нож с прямым лезвием.
5. Лопатка.
6. Пестик с резиновым наконечником.
7. Колба с питьевой водой.
8. Пластины плоские с гладкой
поверхностью (из стекла или металла).
Порядок работы
Подготовка к испытанию
1. Из корпуса прибора извлекают фильтрационную трубку и
разбирают ее.
2. Заполняют цилиндр испытываемым грунтом. Заполнение цилиндра грунтом в предельно рыхлом
и предельно плотном состоянии выполняют в следующем порядке: цилиндр с дном и латунной сеткой взвешивают; для получения образца в
предельно рыхлом состоянии цилиндр заполняют грунтом, насыпая его с
высоты 5-10 см без уплотнения; в предельно плотном состоянии насыпают слоями толщиной 1-2 см с уплотнением каждого слоя трамбованием.
Рисунок 4.1 – Прибор КФ – 00М
32
Заполнение цилиндра грунтом нарушенного сложения заданной
преподавателем плотности так же производят слоями толщиной 1–2 см,
при этом необходимую массу грунта вычисляют по формуле:
m = V,
(4.1)
где V – объем цилиндра, см3;
 – заданная плотность, г/см3);.
Если грунт массой m не укладывается в цилиндр, то его уплотняют
трамбованием. Коэффициент пористости грунта вычисляют по формуле:

e  S (1  W )  1

(4.1)
Влажность грунта W определяют по методике, изложенной в работе
№1.
3. Зачищают поверхность образца вровень с краями цилиндра и
взвешивают цилиндр с грунтом.
4. Определяют плотность грунта (ρ = m/V). При опытах с тонкозернистыми песками на дно трубки необходимо засыпать буферный слой
песка из фракции 0,5–0,25 мм высотой в 2–3 мм. Если требуется определить коэффициент фильтрации грунта с ненарушенной структурой, то
цилиндр следует задавить непосредственно в грунт.
Проведение испытаний
1. После заполнения цилиндра грунтом в корпус (6) налить воды и
вращением винта (8) поднять подставку (5) до совмещения отметки на
планке (10) до отметки напорного градиента I = 1 с верхним краем крышки
(7).
2. На подставку (5) установить фильтрационную трубку с испытываемым грунтом. Вращением винта (8) медленно погрузить фильтрационную трубку с грунтом в воду до отметки напорного градиента I = 0,8.
В таком положении оставить прибор до момента появления влаги в
верхнем торце цилиндра, о чем судят по изменившемуся цвету грунта.
3. Поместить на грунт латунную сетку (4), одеть на трубку муфту
(2) и вращением винта (8) опустить фильтрационную трубку в крайнее
нижнее положение.
4. Заполнить мерный баллон (9) водой, предварительно измерив ее
температуру, зажать отверстие большим пальцем и, быстро опрокинув,
вставить в муфту (2) так, чтобы горлышко баллона соприкасалось с латунной сеткой.
33
Мерный баллон – мариоттов сосуд – приспособление, создающее
постоянный напор воды. Когда сосуд перевернут отверстием вниз, вода
из него будет вытекать только в том случае, если под вогнутую часть
проникает наружный воздух. Если вода из-под вогнутой части расходуется на фильтрацию, то ее расход компенсируется из сосуда, при этом
уровень воды во время испытания практически совпадает с поверхностью грунта. Этим обеспечивается постоянство напора при проведении
испытания. Шкала на поверхности сосуда позволяет измерять расход
воды. Мерный баллон автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды в 1–2 мм.
При нормальном ходе опыта в мерный баллон поднимаются мелкие
пузырьки воздуха. Если прорываются крупные пузырьки воздуха, то
баллон следует опустить ниже на 1–2 мм и добиться того, чтобы в него
равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха.
После этого установить планку (10) на градиент I = 0,6 и долить воду в корпус (6) до верхнего края.
5. Отметить время, когда уровень воды достигнет деления шкалы
мерного баллона, отмеченного цифрой 10 (или 20) см3, принимая это
время за начало фильтрации воды. В дальнейшем фиксируют время, когда уровень воды достигнет соответственно делений: 20, 30, 40, 50 (или
20, 40, 60, 80) см3 или других кратных значений. Проводят четыре отсчета.
6. Опустив цилиндр с грунтом в крайнее положение, снять мерный
баллон (9), заполнить его водой и вновь вставить в муфту (2).
7. Установить планку (10) на напорный градиент I = 0,8 и долить
воду в корпус 6 до верхнего края. Далее поступить согласно п. 5. Так
произвести определения для любого напорного градиента (всего 6 раз).
Для I = 1 телескопическим приспособлением можно не пользоваться,
установив фильтрационную трубку на любую равную поверхность.
8. По окончании работы прибор КФ-00М разобрать, все детали промыть чистой водой и вытереть насухо.
Обработка результатов
1. Коэффициент фильтрации К10 м/сут, приведенный к условиям
фильтрации при температуре 10 0С, вычисляют по формуле:
K10 
864  VW
,
tm ATI
где VW – объем профильтровавшейся воды при одном замере, см3;
34
(4.2)
tm – средняя продолжительность фильтрации (по замерам при одинаковых расходах воды), с;
А – площадь поперечного сечения цилиндра фильтрационной трубки, см2;
I – градиент напора;
Т = (0,7 + 0,03 Тф) – поправка для приведения значения коэффициента фильтрации к условиям фильтрации воды при температуре 10 0С,
где Тф – фактическая температура воды при испытании, 0С;
864 – переводной коэффициент (из см/с в м/сут)
2. Полученные в ходе испытаний данные занести в журнал, форма
которого приводится ниже:
Таблица 4.1 – Результаты определения коэффициента фильтрации
песчаного грунта на приборе КФ – 00М
Дата испытания
1
Масса, г
Влажность
№ испы- Тип Сложение
цилиндра
грунта в
тания грунта грунта
цилиндра с грун- грунта
д.ед.
том
2
3
4
5
6
7
8
Плотность,
Время
г/см3
фильтрации, с
Коэффици- ГрадиОбъем профильсухого ент пориент
тровавшейся воды
грунта
отдельные
грунта, стости е напора I
VW, см3
среднее
замеры

d
9
10
11
12
13
14
15
Температура воды Тф, 0С
16
Коэффициент фильтрации К10, м/сут
17
Примечание
18
В таблицу записывают значения коэффициента фильтрации при
I = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 0,9; 1,00.
Каждая бригада проводит испытания на фильтрацию грунта лишь
одной заданной плотности сложения.
Плотность задается преподавателем.
После завершения экспериментов результаты всех бригад обобщаются в единой таблице.
Сводная таблица коэффициентов фильтрации грунтов
разной плотности сложения
Плотность сложения песка d, г/см3 и
наименование по плотности сложения е
35
Коэффициент фильтрации
К10,м/сут
Коэффициент фильтрации используется при расчетах скорости
уплотнения грунтов под нагрузкой, определения притока воды к котлованам, дренажным и водозаборным устройствам, при расчетах фильтрационных потерь через земляные ограждающие сооружения, например,
плотины и фильтрационные завесы.
Задача по определению времени затухания осадки слоя грунта
при условиях одномерной консолидации
Для водонасыщенного грунта время затухания осадки может быть
определено на основе теории фильтрационной консолидации, по которой предлагается, что скорость протекания осадки зависит исключительно от скорости выжимания воды из пор грунта в результате его
уплотнения под нагрузкой.
Время, необходимое для уплотнения слоя грунта, может быть определено по формуле:
T
4 h2
2  Cv
,
(4.3)
где h – мощность слоя грунта, м;
N – постоянная, зависящая от степени консолидации и условий
фильтрации;
Сv – коэффициент консолидации, равный
Cv 
KФ
,
mv  
(4.4)
где Кф – удельный вес воды, кН/м3,
 – коэффициент фильтрации, м/сут;
mv – коэффициент относительной сжимаемости, кПа-1, равный:
mv 
m0
,
1  eср
(4.5)
где eср – средний коэффициент пористости грунта при изменении давления на грунт от начального Рн до конечного Рк значения;
m0 – коэффициент сжимаемости, кПа-1, равный:
e e
m0  H K ,
PK  PH
36
(4.6)
где eн и eк –начальный и конечный коэффициент пористости, соответственно;
Рн и Рк – начальное и конечное давление на грунт, соответственно,
кПа.
Исходные данные: значение Кф принимается как среднее значение
при разных градиентах напора; мощность слоя песка 10м; начальное
давление Рн = 100 кПа; конечное Рк = 300 кПа; коэффициенты пористости ен = 0,7; eк = 0,65.
Необходимо определить время, необходимое для 90 % консолидации грунта (U = 0,9). Степень консолидации равна U = Sг/Sк, где St – деформация за время Т;
Sk – полная стабилизированная осадка.
При решении использовать соотношение: U = 0,9; N = 2,09.
37
Лабораторная работа № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
ПЕСЧАНОГО ГРУНТА
Цель работы: исследование гранулометрического состава песчаного грунта и определение его номенклатуры (названия) в соответствии с
ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
Теоретическая часть
Основные составные части грунтов: твердые минеральные частицы,
вода и воздух. Частицы грунта имеют различный минеральный состав,
размеры, форму, окатанность.
По размеру диаметра частиц выделяют следующие фракции (группы) частиц:
крупные обломки:
– более 200 мм – валун (окатанный), глыба (неокатанная);
– от 20 до 200 мм – галька (окатанная), щебень (неокатанный);
– от 2 до 20 мм – гравий (окатанный), дресва (неокатанная);
– песчаные частицы – от 0,05 мм до 2 мм;
– пылеватые частицы – от 0,005 до 0,05 мм;
– глинистые частицы – менее 0,005 мм.
Под гранулометрическим (зерновым) составом понимается содержание фракций частиц различной крупности в процентах к общей массе
грунта.
От гранулометрического состава (грансостава) зависят пластичность, пористость, сжимаемость, сопротивление сдвигу, водопроницаемость и пр. При изменении грансостава изменяются и вышеназванные
свойства грунта. Например, с уменьшением размера частиц уменьшается
водопроницаемость грунта: коэффициент фильтрации галечникового
грунта 20…100 м/сут, песчаного грунта – 0,5…5 м/сут, супеси – 0,1
м/сут, суглинка – 0,05…0,4 м/сут, глины – менее 0,001 м/сут.
Для определения гранулометрического состава грунтов проводят
гранулометрический анализ. Гранулометрический анализ выполняют из
проб грунта с нарушенной или ненарушенной структурой. В любом случае пробу грунта разделяют на фракции частиц по крупности.
Определение грансостава необходимо для решения практических
вопросов, в частности:
– классификация грунта по грансоставу (гранулометрический состав
является классификационным показателем при определении номенклатуры песчаных и крупнообломочных грунтов);
38
– приближенное вычисление коэффициента фильтрации грунтов по
формуле;
– оценка пригодности грунта в качестве материала для земляного
полотна авто– и железных дорог, земляных плотин, дамб;
– выбор оптимальных отверстий для фильтров буровых скважин;
– оценка возможной суффозии в теле фильтрующих плотин и их оснований, в стенках котлованов, бортах выемок;
– оценка дисперсных несвязных грунтов как заполнителя при изготовлении бетона.
Грансостав определяют ситовым методом (для частиц с диаметром
более 0,1 мм) и ареометрическим методом (для частиц диаметром менее
0,1 мм).
Экспериментальная часть
Необходимые материалы и оборудование: грунт (воздушно-сухой,
нарушенной структуры); стандартный комплект сит; весы технические с
разновесом; лист плотной бумаги; ложка; ступка; пестик (деревянный
или резиновый); чашечки фарфоровые или алюминиевые) диаметром
8…10 мм.
Стандартный комплект сит должен состоять из семи сит:
– четырех сит с крупными штампованными отверстиями диаметром
10, 5, 2, 1 мм;
– трех сит из медной или латунной сетки простого плетения с отверстиями квадратной формы размером 0,5; 0,25 и 0,1 мм.
Фракции частиц при гранулометрическом анализе почв
В почвах и породах могут находиться частицы диаметром как менее
0,001 мм, так и более нескольких сантиметров. Для подробного анализа
весь возможный диапазон размеров делят на участки, называемые фракциями. Единой классификации частиц не существует.
Исторически первая классификация фракций предложена А. Аттербергом в 1912 и была основана на изучении физических свойств монофракциальных смесей. Их анализ показал резкие качественные различия,
в частности, в липкости при достижении размеров 0,002, 0,02 и 0,2 мм.
Шкала Аттерберга легла в основу более новых зарубежных классификаций. В СССР и России была принята классификация по Н. А. Качинскому, которая показана в таблице 5.1.
Классификации почв по гранулометрическому составу
В настоящее время получили распространение два основных принципа построения классификаций:
39
Таблица 5.1 – Классификация по Качинскому Н. А.
Шкала Качинского
Граничные значения, мм Название фракции
до 0,001
Ил
0,001–0,005
Мелкая пыль
0,005–0,01
Средняя пыль
0,01–0,05
Крупная пыль
0,05–0,25
Тонкий песок
0,25–0,5
Средний песок
0,5–1
Крупный песок
– на основании содержания физической глины с учётом доминирующей фракции и типа почвообразования. Разработана Н. А. Качинским и
принята в России и в некоторых других странах;
– на основании относительного содержания фракций песка, пыли и
глины по Аттербергу. Международная классификация, классификации
общества почвоведов (SSSA) и общества агрономов (ASSA) США. Для
определения названия почвы используют треугольник Ферре (рис 5.1).
Однозначного перехода от одной классификации к другой не существует, однако, используя кумулятивную кривую выражения результатов
гранулометрического состава, можно назвать почву по обеим классификациям.
Влияние гранулометрического состава на свойства почв и пород
Гранулометрический состав определяет многие физические свойства и водно-воздушный режим почв, а также химические, физикохимические и биологические свойства.
Меньший диаметр частиц означает большую удельную поверхность,
а это, в свою очередь – большие величины ёмкости катионного обмена, водоудерживающей способности, лучшую агрегированность, но
меньшую порозность. Тяжёлые почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием, лёгкие – с водным режимом.
Разные фракции обычно представлены различными минералами.
Так, в крупных преобладает кварц, в мелких – каолинит, монтмориллонит. По фракциям различается способность образовывать с гумусом органоминеральные соединения.
40
Рисунок 5.1 – Треугольник Ферре.
Методы определения (гранулометрия)
Методы определения гранулометрического состава грунтов можно
разделить на прямые и косвенные.
К прямым относятся методы, основанные на непосредственном
(микрометрическом) измерении частиц в поле зрения оптических и электронных микроскопов или с помощью других электронных и электрон41
но-механических устройств. В практике прямые (микрометрические)
методы не получили широкого распространения.
К косвенным относятся методы, которые базируются на использовании различных зависимостей между размерами частиц, скоростью
осаждения их в жидкой и воздушной средах и свойствами суспензии.
Это группа методов, основанных на использовании физических свойств
суспензии (ареометрический, оптический и др.) или моделирующих
природную седиментацию (пипеточный, отмучивания и др.).
Ареометрический метод основан на последовательном определении плотности суспензии грунта через определенные промежутки времени с помощью ареометра. По результатам определений рассчитывают
диаметр и количество определяемых частиц по формуле или с помощью
номограммы. Этим методом определяют содержание в грунте частиц
диаметром менее 0,1 мм. Содержание фракций крупнее 0,1 мм определяют ситовым методом.
Устройство ареометра основано на законе Архимеда: всякое погруженное в жидкость тело теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. При постоянном объеме тела, погруженного в
жидкость, более тяжелой жидкости будет вытеснено меньше, а более
легкой – больше. Таким образом в легкую жидкость тело будет погружено на большую глубину, в тяжелую на меньшую. Следовательно, чем
больше концентрация суспензии, тем больше ее плотность и меньше
глубина, на которую погружается в нее ареометр.
При отстаивании суспензии частицы грунта, подчиняясь закону силы тяжести, падают на дно сосуда, и плотность суспензии уменьшается.
Соответственно ареометр, по мере выпадения частиц, постепенно погружается в суспензию глубже и глубже.
Пипеточный метод используется для определения гранулометрического состава глинистых грунтов в комбинации с ситовым. Этот метод
основан на разделении частиц грунта по скорости их падения в спокойной воде.
Через определенные интервалы времени пипеткой из суспензии
грунта с различных глубин отбирают пробы, которые затем высушивают
и взвешивают.
К косвенным методам также относится и полевой метод Рутковского, который дает приближенное представление о гранулометрическом составе грунтов. В основу метода положены:
1) различная скорость падения частиц в воде в зависимости от их
размера;
2) способность глинистых частиц набухать в воде.
42
С помощью метода Рутковского выделяют три основные фракции:
глинистую, песчаную и пылеватую. В полевых условиях на практике
этот метод целесообразно применять для определения песков пылеватых
и супесей.
В особую группу выделяют методы определения размеров частиц с
помощью ситовых наборов. Они занимают промежуточное положение
между прямыми и косвенными методами и широко используются в
практике самостоятельно или в комбинации с другими методами.
Ситовой метод – один из основных в практике исследований грунтов для строительства. Метод используется для определения гранулометрического состава крупнообломочных и песчаных грунтов, а также
крупнозернистой части пылевато-глинистых грунтов.
Сущность метода заключается в рассеве пробы грунта с помощью
набора сит. Для разделения грунта на фракции ситовым методом без
промывки водой применяют сита с отверстиями диаметром 10; 5; 2; 1;
0,5 мм; с промывкой водой – сита с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5;
0,25; 0,1 мм. Ситовой метод с промывкой водой обычно применяют для
определения гранулометрического состава мелких и пылеватых песков.
Способы выражения
При определении гранулометрического состава почв выявляется
процентное содержание фракций механических элементов. Например,
почва содержит 23,4 % физической глины.
Контрольные вопросы
1. Какие физические характеристики называют основными, а какие
производными?
2. От каких факторов зависит плотность грунта?
3. Что называют влажностью грунта?
4. На какие физические характеристики влияет увеличение влажности и как?
5. В каких пределах изменяется коэффициент водонасыщения?
6. От чего зависит число пластичности: от гранулометрического
состава, от минералогического состава?
7. Что такое граница раскатывания?
8. Как определяют границу текучести?
9. Что такое коэффициент пористости? О чем говорит изменение
этого коэффициента при сжатии грунта?
43
10. Какими сведениями нужно располагать, чтобы оценить расчетное сопротивление: а) песка? б) глинистого грунта?
11. Что такое сжимаемость грунтов? Как она оценивается в лабораторных условиях?
12. Какие характеристики грунта определяют при компрессионных
испытаниях?
13. Как определяется модуль деформации? В каких расчетах он используется?
14. Что называют условной стабилизацией деформации сжатия?
15. Какими способами оценивают прочность грунтов?
16. В чем суть испытания на срез?
17. Что такое график сдвига?
18. Как определить угол внутреннего трения грунта?
19. Как определить удельное сцепление грунта?
20. Какие параметры грунта называют прочностными?
21. В каких расчетах используется прочностные параметры грунта?
22. Что такое коэффициент фильтрации?
23. Что такое напорный градиент?
24. В каких расчетах используется коэффициент фильтрации грунта?
44
Практическое занятие № 1
ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ
1. Масса образца грунта ненарушенного сложения объемом 50 см3
при естественной влажности равна g (г), после сушки на воздухе стала
g1 (г), а после высушивания в термостате – g0 (г). Объем минеральной
части грунта равен Vs (см3). Определите указанные ниже показатели, используя их определения и обозначения, приведённые в таблице1.1.
Таблица 1.1 – Задания и исходные данные по вариантам
Вариант
g
g1
g0
Vs
1
87,52
81,58
81,09
30,48
2
86,14
76,30
75,62
28,22
3
88,35
73,28
72,41
26,82
4
94,46
72,03
70,34
25,67
5
99,67
79,83
78,48
28,85
Определить
Плотность частиц грунта и объемную влажность
Плотность и полную влагоемкость
Естественную влажность и коэффициент пористости
Плотность сухого грунта и степень
влажности
Гигроскопическую влажность и
пористость
Решение. Плотность частиц грунта ρs равна отношению массы сухого грунта к объему его твердой части. Следовательно, ρs, = 81,09/30,48 =
= 2,66 г/см3. Объемную влажность можно определить из выражения wv = wρs
для чего предварительно вычисляют естественную влажность
w = (g – g0)/g0 = (87,52 – 81,09) / 81,09 = 0,08,
окончательно получают wv, = 0,08·2,66 = 0,21.
Таблица 1.2 – Физические величины и классификационные показатели грунтов
Характеристика,
размерность
1
Плотность частиц
грунта, г/см3
Определение
характеристики
2
Отношение массы сухого грунта
к объему его твердой части
Обозначение, формула
3
ρs
Плотность грунта,
г/см3
Отношение массы грунта (Включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему
ρ
45
1
Влажность
Продолжение табл. 1.2
2
3
Отношение массы воды, содержаw
щейся в грунте, к массе сухого грунта
Отношение массы сухого грунта к
Плотность сухого
объему, занимаемому этим грунгрунта или плотность том (включая объем пор)
скелета грунта, г/см3
Отношение объема пор к объему
Пористость
всего грунта, включая поры
Коэффициент
пористости
Отношение объема пор к объему
твердой части (скелета) грунта
Отношение объема воды к объему
Коэффициент
пор грунта – степень заполнения пор
водонасыщения
водой (ρw – плотность воды, г/см3)
(степень влажности)
Влажность грунта, соответствующая полному заполнению пор воПолная влагоемкость дой
ρd = ρ/(1 + w)
n = 1 – ρd/ρs
ρd − ρs
𝑒=
ρd
ρs
𝑒 = (𝑤 + 1) − 1
ρ
Sr = wρ / seρw
Wmax = eρw/ρs
Влажность грунта в природном
состоянии
Естественная
влажность
Влажность воздушно-сухого грунта
Гигроскопическая
влажность
Влажность грунта при максимальной толщине пленок связанной
Максимальная моле- воды
кулярная влагоемкость
Отношение объема воды, содержащейся в грунте, к общему объеОбъемная влажность му грунта
Коэффициент
водоотдачи
Отношение объема свободно вытекающей (или извлекаемой) из
грунта воды (при полном заполнении пор водой) к объему всего
грунта
46
W0
Wr
Wm
Wv = Wρs
μ = (Wm – Wv) =
= eρw – Wmρs
1
2
Коэффициент (степень) Отношение временных сопротивразмягчаемости в воде лений одноосному сжатию в водонасыщенном и в воздушносухом состояниях
Продолжение табл. 1.2
3
Ksaf
Степень выветрелости Отношение плотностей выветрескального грунта
лого и невыветрелого образцов
одного и того же грунта
Зерновой (гранулометрический) состав
(ГОСТ 12536)
Распределение по фракциям всех
частиц , содержащихся в грунте, с
определением их относительного
содержания
Эффективные
диамметры
Диаметр, меньше которого содержится в грунте (по массе) соответственно 60 и 10 % частиц
Степень
неоднородности
Отношение эффективных
диаметров
Kwr
d60, d10
Cu = d60 / d10
Влажность на границе Влажность, при которой связанный
текучести
грунт переходит из пластичного
состояния в текучее и наоборот
wl
Влажность на границе Влажность, при которой связанпластичности
ный грунт переходит из твердого
(раскатывания)
состояния в пластичное текучее и
наоборот
wp
Число пластичности
(ГОСТ 5180)
Разность влажностей на границах
текучести и пластичности
Ip = wl – wp
IL =
Показатель
консистенции
(текучести)
Показатель состояния грунта
нарушенного сложения
Относительная
деформация просадки
или просадочность
(ГОСТ 24143)
47
𝑤0 − 𝑤𝑝
𝐼𝑝
εst
1
Коэффициент выветрелости крупнообломочных грунтов
Предел прочности
грунта на одноосное
сжатие, МПа
Расчетное сопротивление грунта, МПа
2
Отношение разности высот образца грунта до и после водонасыщения под определенной
нагрузкой к высоте образца природной влажности
К0 – отношение массы частиц
размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм до испытания на истираемость
К1 – то же, после испытания на
истираемость
Окончание табл. 1.2
3
𝐾wr =
𝑘1 − 𝑘0
𝑘1
Отношение разрушающей
нагрузки к площади испытанного
образца
Rc
Предел линейной зависимости
«нагрузка – осадка»; определяется расчетом по СНиП 2.02.01-83 в
зависимости от качества грунта,
типа и размера фундамента
R
2. По условию и исходным данным задачи определите плотность
сухого грунта, пористость, коэффициент пористости, степень влажности.
Вариант 1 выполните по исходным данным варианта 1, вариант 2, по 2 и
т. д.
48
Практическое занятие №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ СУХОГО ГРУНТА,
СТЕПЕНЬ ВЛАЖНОСТИ, ПОЛНУЮ ВЛАГОЕМКОСТЬ
КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТА
И ЕГО НАИМЕНОВАНИЕ
1. В лабораторных условиях определены: плотность частиц грунта
ρs (г/см3); естественная влажность w0; плотность грунта ρ (г/см3) и максимальная молекулярная влагоемкость wm. Вычислите указанные ниже
показатели.
Таблица № 2.1 – Задания и исходные данные по вариантам
Вариант
1
2
3
4
ρs
2,75
2,69
2,67
2,72
w0
0,24
0,21
0,14
0,30
ρ0
2,03
1,89
1,81
1,91
wm
0,16
0,15
0,12
0,24
Вычислить
Коэффициент пористости
Пористость
Степень влажности
Плотность сухого грунта
2. По условию и исходным данным задачи 2.1 определите плотность
сухого грунта, степень влажности, полную влагоемкость, вариант 1 по 1
и т.д.
3. По приведенным ниже показателям физико-механических свойств
вычислите классификационные характеристики грунта и дайте его
наименование по ГОСТ 25100-95.
Таблица № 2.1- Наименования показателей и исходные данные по
вариантам
Наименование показателя
Петрографический тип
1
Брекчия
Вариант
2
3
Гнейс Доломит
4
Диабаз
Плотность невыветролого грунта, г/см3
2,24
2,73
2,36
2,91
То же, выветрелого, г/см3
1,93
2,51
1,75
2,91
Временное сопротивление одноосному сжатию невыветрелого грунта в
воздушно-сухом состоянии, МПа
34,1
111,6
20,1
146,0
То же, в водонасыщенном, МПа
16,4
90,4
7,2
134,3
49
Практическое занятие №3
ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ КРИВОЙ
ЗЕРНОВОГО СОСТАВА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ
НЕОДНОРОДНОСТИ, КОЭФФИЦИЕНТА ВЫВЕТРЕЛОСТИ
И НАИМЕНОВАНИЕ ГРУНТА ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ
1. По приведенным ниже результатам ситового анализа несвязного
грунта до и после испытания на истираемость постройте интегральную
кривую зернового состава, определите степень неоднородности, коэффициент выветрелости и дайте наименование грунта по этим показателям.
Таблица 3.1 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
1
2
Вариант
3
4
Зерновой состав частиц, % по массе:
Более 200 мм
4
2
62
4
200–100
0
4
17
4
100–60
0
2
3
6
60–40
5
3
1
5
40–20
9
6
3
11
20–10
28
14
2
43
10–5
33
28
3
19
5–2
15
17
3
4
Менее 2 мм
6
24
6
4
Полный остаток на сите с диаметром
отверстий 2 мм после испытания на
истираемость, %
68
54
82
88
Степень окатанности частиц
ОК
Н
ОК
Н
Примечание: ОК – окатанные, Н – не окатанные обломки.
5
6
53
33
4
2
0
0
0
3
5
2
1
2
8
8
27
41
11
93
Н
706
ОК
Решение: для установления наименования грунта по зерновому составу последовательно определяют суммарное содержание частиц (%),
начиная от наиболее крупных фракций, и сравнивают его с табличными
значениями (см. прил. 11): крупнее 200 мм – 4 %, или менее 50 % значит
грунт не валунный; крупнее 10 мм – (4 + 9 + 5 + 28) = 46 %, или более 50 %,
значит грунт не галечниковый; крупнее 2 мм – (46 + 33 + 15) = 94 %, или
более 50 %, следовательно грунт гравийный (с учетом преобладания
окатанных частиц). Для построения интегральной кривой зернового состава вычисляют суммарное содержание частиц (%), начиная от самых
мелких фракций, и результаты сводят в таблицу 3.2.
50
Таблица 3.2 – Суммарное содержание частиц
Диаметры частицы, d мм
< 2 < 5 < 10 < 20 < 40 < 60 < 100 < 200
Суммарное содержание частиц, А, % 6 21 54 82 91 96
96
96
а
б
Рисунок 3.1 – Интегральная кривая зернового состава в масштабе:
а – обычный; б – полулогарифмический.
По эти данным строят кривую (рис. 3.1а), откладывая по оси абсцисс диаметры частиц, а по оси ординат суммарное содержание частиц
(%) менее данного диаметра. С целью сокращения горизонтального размера графика, особенно при наличии в грунте частиц, отличающихся по
размеру на несколько порядков, по оси абсцисс откладывают не диаметры, а их логарифмы (рис. 3.1б). Эффективные диаметры d10 и d60 находят
графически, проводя горизонтальные прямые через точки из оси ординат, соответствующие 10 и 60 % суммарного содержания частиц, до пересечения с интегральной кривой и опуская перпендикуляр из точек пересечения на ось абсцисс (рис. 3.1). По графику определяют: d10 = 3,3 мм;
d60 = 11,5 мм и вычисляют степень неоднородности Cu = d60 / d10 = 3,5.
Коэффициент выветрелости определяют из выражения kwr = (k1 – k0) / k0,
где k0 – отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц
размером более 2 мм до испытания на истираемость равно отношению
51
процентного содержания этих частиц, т.е. k0 = 6 / 94 = 0,06. ПО условию
задачи, после испытания на истираемость на сите 2 мм осталось 68 %
частиц, следовательно, менее 2 мм оказалось 32 %. Таким образом,
k1 = 32/68 = 0,47, тогда kwr = (0,47 – 0,06) / 0,47 = 0,87. Используя все вычисленные выше классификационные показатели, дают грунту наименование крупнообломочный гравийный неоднородный, сильновыветрелый.
2. По приведенным ниже результатам ситового анализа несвязного
грунта постройте интегральную кривую зернового состава, определите
степень неоднородности и дайте наименование грунта по прил. 11.
Таблица 3.3 – Наименование показателей, варианты заданий
Наименование показателя
Зерновой состав частиц, % по массе:
Более 5 мм
5-2
2-1
1-0,5
0,5-0,25
0,25-0,10
0,10-0,05
Менее 0,05 мм
1
2
5
3
6
11
23
30
13
9
7
19
31
26
8
3
2
4
Вариант
3
0
2
5
10
17
35
22
9
4
5
0
4
9
6
41
27
5
8
13
5
22
35
12
7
3
3
Указание: пример построения интегральной кривой зернового состава и определения степени неоднородности приведен в задаче 3.1.
3. По приведенным ниже результатам определения зернового состава и физических свойств несвязанного грунта вычислите производные и
классификационные характеристики (коэффициент пористости, степень
влажности, полную влагоемкость, степень неоднородности, коэффициент выветрелости) и дайте его наименование.
Таблица 3.4 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
Зерновой состав по варианту:
Природная влажность, д. е.
Плотность частиц грунта, г/см3
Плотность грунта, г/см3
1
3,6,1
0,18
2,68
1,86
2
3,6,2
0,06
2,66
1,78
Вариант
3
4
3,6,3 3,6,4
0,12 0,08
2,67 2,69
1,92 1,81
5
3,6,5
0,15
2,65
1,73
6
3,6,6
0,03
2,70
1,94
Решение 3.3. используя данные ситового анализа, определяют
вид грунта как указанно в задаче 1.
Производные характеристики вычисляют по формулам (см. таблицу 1.2).
52
Практическое занятие № 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИМЕНОВАНИЕ ЗЕРНОВОГО ГРУНТА
ПО ГОСТу – 25100-95
1. По результатам лабораторного определения зернового состава
грунта, приведенным ниже, определите его наименование по ГОСТ
25100-95.
Таблица 4.1 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
Зерновой состав частиц, % по массе:
Более 200 мм
200-10
10-2
2-0,05
0,05-0,005
Менее 0,005 мм
Степень окатанности частиц
Число пластичности заполнителя, %
1
2
24
39
12
14
9
2
17
35
6
38
3
1
Вариант
3
52
9
13
13
8
5
4
19
37
10
17
14
3
5
9
14
30
42
4
1
Н
ОК
ОК
Н
ОК
11
<1
8
4
<1
В таблице ОК означают окатанные, н – неокатанные.
Решение. Анализируя результаты определения зернового состава,
отмечают, что в грунте присутствуют крупные обломки (более 200 мм),
песчаные (2–0,05 мм), пылевидные (0,05–0,005 мм) и глинистые (менее
0,005 мм) частицы.
Определяют общее количество обломков крупнее 2 мм:
2 + 24 + 39 = 65 %.
Так как их содержание составляет более 50 %, то грунт является
крупнообломочным. Его наименование определяют, последовательно
суммируя процентное содержание частиц крупнее данного диаметра и
сравнивая полученные значения. В исследуемом грунте частицы размером более 200 мм – 2 %, или менее 50 %, т.е. грунт не глыбоватый; более
10 мм – 26 %, или менее 50 %, т.е. грунт не щебенистый; более 2 мм –
65 %, или более 50 %, следовательно, грунт дресвяный. В соответствии с
норм. документами, при наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого более 30 % в наименовании
крупнообломочного грунта должно приводиться наименование заполнителя. Общее количество заполнителя, т. е. глинистых (Гл) и песчаных
(Пч) частиц в заполнителе, принимая весь заполнитель за 100 %.
53
Гл = 9·100/35 = 25,7 %; Пч = 10·100/35 = 34,3 %. Это крупнообломочный дресвяный с суглинистым заполнителем.
2. Используя результаты лабораторных испытаний связного грунта,
приведенные ниже, определите наименование грунта по ГОСТ 25100-95.
Таблица 4.2 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
1
2
Вариант
3
4
Зерновой состав частиц, % по массе:
Более 10 мм
4
3
6
10–2
28
19
15
2–0,05
57
44
20
0,05–0,005
5
25
16
Менее 0,005 мм
6
9
43
Степень окатанности частиц размером
более 2 мм
ОК
Н
ОК
Влажность на границе текучести, д.е.
0,12 0,17 0,52
Влажность на границе пластичности, д.е. 0,08 0,11 0,23
В таблице ОК означает окатанные, Н – неокатанные.
5
17
6
44
19
4
25
7
22
17
29
Н
0,26
0,15
ОК
0,36
0,20
Примечание: по наличию включений крупных обломков (крупнее 2 мм), глинистые грунты подразделяются на супесь, суглинок или
глину с галькой (щебнем) при содержании частиц крупнее 2 мм в количестве 15–25 %; супесь, суглинок, глину галечниковые (щебнистые) или
гравелистые (дресвяные) при содержании частиц крупнее 2 мм в количестве 25–50 %.
Текст задания аналогичен тексту задачи 4.2.
Таблица 4.3 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
Зерновой состав частиц, % по массе:
2–0,05
0,05–0,005
Менее 0,005 мм
Влажность на границе текучести.
Влажность на границе пластичности
1
2
37
51
12
0,24
0,15
52
15
33
0,40
0,21
Вариант
3
4
69
24
7
0,13
0,08
4
35
61
0,58
0,26
5
6
39
35
26
0,37
0,22
41
39
20
0,38
0,23
Решение 3. В лабораторных условиях определено содержание
глинистых – 12 %; пылеватых – 51 %; песчаных частиц – 37 %. По
этим данным грунт называют согласно ГОСТ 25100-95 суглинком лег54
ким пылеватым. Далее определяют число пластичности (см. табл. 1.2)
IP = WL – WP = 0,24 – 0,15 = 0,09.
По этому показателю грунт является суглинком. Наименование по
зерновому составу, данное выше, дополняет наименование по ГОСТу.
4. По результатам лабораторных исследований, приведенным ниже,
определите наименование связного грунта и дайте предварительную
оценку возможности отнесения его к просадочным или набухающим.
Таблица 4.4 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
Естественная влажность
Относительная деформация просадки, д.е.
Плотность частиц грунта, г/см3
Плотность грунта, г/см3
Влажность на границе текучести, д.е.
Влажность на границе пластичности, д.е.
1
2
0,13 0,16
0,03 <0,005
2,72 2,74
1,85 1,90
0,32 0,11
0,19 0,23
Вариант
3
0,17
0,02
2,73
1,79
0,37
0,19
4
5
0,09 0,12
0,06 <0,01
2,70 2,73
1,86 1,91
0,21 0,41
0,15 0,25
Указания:
1. Для ответа необходимо вычислить число пластичности, коэффициенты пористости грунта в природном состоянии на границе текучести,
степень влажности, показатель П и полученные результаты сопоставить
с ГОСТ 25100-95.
2. К просадочным грунт относится при условии εst ≥ 0,01
(ГОСТ 25100-95, табл. 5.16)
3. По показателю относительной набухаемости без нагрузки εsw глинистые грунты подразделяются на:
Ненабухающие
Слабонабухающие
Средненабухающие
Сильнонабухающие
< 0,04
0,04–0,08
0,08–0,12
> 0,12
55
εsw относительное увеличение
высоты образца при замачивании без нагрузки
Практическое занятие №5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОРИСТОСТИ,
ЧИСЛО ПЛАСТИЧНОСТИ ГРУНТА, НАИМЕНОВАНИЕ
ГРУНТА И ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ДАННЫЙ ГРУНТ ИЛОМ
1. В прибрежной зоне со дна моря отобран монолит грунта, описанный в полевом журнале как структурный осадок, образовавшийся в воде
при наличии микробиологических процессов. Результаты лабораторных
испытаний монолита представлены ниже. Определите, является ли данный грунт илом?
Таблица 5.1 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
Вариант
2
0,37
1,83
2,67
0,22
0,17
1
0,56
1,66
2,64
0,34
0,19
Естественная влажность
Плотность грунта, г/см3
Плотность частиц грунта, г/см3
Влажность на границе текучести
Влажность на границе пластичности
3
0,78
1,54
2,69
0,53
0,26
Указание. Необходимо вычислить е – коэффициент пористости, IP –
число пластичности грунта (см. табл. 1.2). Глинистый грунт при е ≥ 0,9 и
IL >1 относится к илам.
2. В лабораторных условиях было определено относительное содержание растительных остатков в связном грунте, а после их удаления
– пределы пластичности. По результатам лабораторных определений,
приведенным ниже, дайте наименование грунта.
Таблица 5.2 – Наименование показателей грунтов, варианты заданий
Наименование показателя
Относительное содержание растительных остатков
Естественная влажность
Влажность на границе текучести
Влажность на границе пластичности
1
2
0,47
0,26
0,39
0,18
0,08
0,21
0,20
0,15
Вариант
3
4
0,36
0,30
0,48
0,24
0,19
0,32
0,35
0,20
5
6
0,33
0,23
0,24
0,16
0,08
0,25
0,245
0,24
Указание. Необходимо вычислить число пластичности и показатель
консистенции (см. табл. 1.2), а затем определить наименование грунта.
56
Практическое занятие №6
ВЫЧИСЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ, ПЛОТНОСТИ ЛИНЕЙНОЙ
И ОБЪЕМНОЙ УСАДКИ ГРУНТА
1. Из монолита глинистого грунта вырезан цилиндрический образец
диаметром и высотой 4 см, масса которого оказалась равной g (г). С целью определения усадки образец высушивался на воздухе.
Усадка прекратилась при диаметре и высоте образца соответственно
d1 и Н1 (см) и массе g1 (г). После полного высушивания масса образца
стала g0. По лабораторным результатам определите показатели, указанные в соответствующем варианте.
Таблица 6.1 – Варианты заданий
Вариg1, г
ант
1
–
d1
Н1, см g1, г
–
g 0, г
Требуется определить
–
Относительную линейную и объемную усадки
Естественную влажность и влажность усадки
Плотность грунта до и после усадки
Показатели указанные в вариантах
1, 2, 3
То же, что в варианте 4
То же, что в варианте 4
То же, что в варианте 4
3,76
3,76
–
–
81,12 78,00
2
94,38
3
4
99,40 3,70
100,41 3,76
3,63
3,76
83,98
–
89,25 79,69
5
6
7
96,39
94,38
99,40
3,95
3,88
3,63
86,32 83,81
81,12 78,00
83,98 77,05
3,77
3,84
3,70
Решение 6.2. линейная усадка равна уменьшению высоты образца
при усадке, относительной к первоначальной высоте:
me = (H – H1)/H = (4,00 – 3,76) / 4,00 = 0,06 = 6 %.
Объемная усадка равна уменьшению объема при усадке, отнесенной
к первоначальному объему. Первоначальный объем
V = πd2H/4=50,24 см3.
После усадки V = 41,73 см3. Вычисляют объемную усадку:
mv = (V – V1) / V = (50,24 – 41,37)/50,24 = 0,17 = 17 %.
Указание. Для вычисления влажности и плотности грунта можно
использовать определения и обозначения, приведенные в табл. 1.2.
57
Литература
1. ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.
2. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
3. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости
4. ГОСТ 25584-90. Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации.
5. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.
6. СНиП 2.02.01-83. Строительные нормы и правила. Основания
зданий и сооружений, М., 1985
7. Ананьев, В. П. Инженерная геология : учеб. для строит. спец. вузов / В. П. Ананьев, А. Д. Потапов. 5-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2007.
575 с.
8. Беляев К. И. Предотвращение пучинистых деформаций грунтов.
Строительная промышленность, М.: 2007.
9. Бесков Г. Пучины и их образование. Морозообразование и морозо-поднятие, М.: 2006.
10. Черкашин В. А. Опыт борьбы с выпучиванием малонагруженных
фундаментов с районе распространения вечномерзлых грунтов. Основания фундаменты и механика грунтов, М.: 2007.
11. Абрамов Л. Г., Кочерова Я. Д. Исследование процессов пучения
грунтов // Вестник ВНИИ железнодорожного транспорта, М.: 2006.
12. Бондарик Г.К. Инженерно-геологические изыскания. // Г. К. Бондарик, Л.А. Ярг. М.: КДУ, 2007. 424 с.
58