Лаб-2014 МГ

Пластичность

За границу раскатывания принимают такое состояние грунта по влажности, при котором шнур диаметром 3 мм начинает растрескиваться поперечными трещинами, с образованием кусочков длиной 3-10 мм. Влажность грунта на границе раскатывания характеризует нижний предел пластичности.

За границу текучести принимают такое состояние грунта по влажности, при котором балансирный конус Васильева погружается под действием собственной массы в 76 г за 5 с. на глубину 10 мм. Влажность грунта на границе текучести характеризует верхний предел пластичности.

Показатель консистенции (индекс текучести) определяется по формуле

IL=(W - Wp)/Ip.

Число (индекс) пластичности определяется по формуле

Ip = WL - Wp.

Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемостью называют способность грунтов пропускать воду под действием силы тяжести или гидростатического напора. Скорость просачивания воды через грунт зависит от гранулометрического состава, степени уплотнения и температуры.

Просачивание характеризуется коэффициентом фильтрации (см/с или м/сут), т. е. количеством воды, проходящим в единицу времени через поперечное сечение площадью 1 см2 при гидравлическом градиенте, равном единице. Гидравлическим градиентом называется отношение разности напоров (уровней) воды к длине фильтрационного пути. В таблице приведены примерные величины коэффициентов фильтрации некоторых грунтов.

Коэффициент фильтрации определяют [10] на различных приборах: трубке СПЕЦГЕО конструкции Е. В. Симонова; приборе ПКФ для определения коэффициента фильтрации песков; приборе ПК-Ф СоюздорНИИ для определения коэффициента фильтрации песков как в рыхлом состоянии, так и при стандартном уплотнении; приборе Ф-1М, предназначенном для определения коэффициента фильтрации глинистых грунтов; приборе ПВ-2 для определения водопроницаемости связных грунтов и др.

Таблица - Коэффициенты фильтрации грунтов.

3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Деформация основания и устойчивость сооружения на нём определяется свойствами грунтового массива. Для рационального прогноза поведения сооружения необходимо знать физико-механические свойства массива грунта, которые могут быть оценены непосредственно путём воздействия на массив грунта (полевые методы) или на основе лабораторного изучения проб грунта.

Для обеспечения устойчивости земляного полотна и предотвращения осадок грунт нужно уплотнять при оптимальной влажности до максимальной плотности скелета. Грунт в насыпи находится в трёхфазном состоянии (скелет грунта + воздух + вода) и его уплотнение происходит за счёт перемещения частиц скелета, сопровождающееся вытеснением воздуха из пор. При одинаковой затрате усилий уплотнение зависит от влажности грунта, причём с повышением влажности до определённого предела плотность скелета грунта увеличивается, при дальнейшем увеличении влажности плотность скелета будет уменьшаться.

Механические свойства грунтов подразделяются на деформационные, прочностные и реологические. Определение этих характеристик регламентирует ГОСТ [11].Для определения характеристик механических свойств грунтов необходимо знать их физические характеристики.

Деформационные свойства грунтов характеризуют их поведение под нагрузками, не приводящими к разрушению и вызывающими изменение расстояния между структурными элементами (сжатие или растяжение, уплотнение или набухание и др.). Их определяют при действии сжимающих нагрузок как в статических, так и в динамических условиях. Определение деформационных характеристик определяется по ГОСТ [12]. Эти свойства выражаются модулем деформации E0 по которому характеризуется грунт по ГОСТ [4, таблица В.4].

Прочностные свойства грунтов характеризуют их способность противостоять разрушению, т. е. отделению или смещению одной части грунта от-

12

носительно другой. Их определяют при действии сдвигающих или отрывающих усилий и оценивают с помощью показателей прочности на сдвиг, на разрыв и на сжатие.

Реологические свойства грунтов характеризуют их поведение под нагрузкой во времени. В практических задачах чаще всего рассматриваются деформации грунта под нагрузкой во времени в условиях сдвига и уплотнения (сдвиговая и объёмная ползучесть).

Прочностные характеристики грунта

Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным показателем, необходимым для расчета устойчивости и прочности оснований, оценки устойчивости откосов и склонов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов.

Разрушение грунта основания под фундаментом сооружения наступает, если действующие под подошвой касательные напряжения превышают сопротивление грунта сдвигу. Разрушение проявляется в виде скольжения (сдвига) грунтовых агрегатов или отдельных частиц относительно друг друга.

Сопротивление грунта сдвигу обуславливается силами трения и сцепления (связаности). И хотя четкого разделения сопротивления сдвигу на силы трения и сцепления не существует, прочностными (сдвиговыми) характеристиками грунта является удельное сцепление с (кг/см2) и угол внутреннего трения φ(град). Эти характеристики являются параметрами линейной зависимости τ=f(σ), которая была установлена в 1773 году Ш. Кулоном. Для песчаных грунтов эта зависимость выражается формулой

τ=σ·tgφ

В глинистых грунтах сопротивление сдвигу рассматривается как сумма сопротивлений трению и сцеплению частиц грунта, не зависящего от давления, т.е.

τ=σ·tgφ+c

где с - удельное сцепление, кг/см2, кПа.

Графически τ=f(σ) изображается прямопропорциональной зависимостью. Угол внутреннего трения является углом наклона этой прямой к оси абсцисс. Для песчаных грунтов прямая зависимости проходит через начало координат, а для пылевато-глинистых грунтов отсекает отрезок на оси ординат, численно равный удельному сцеплению.

Определение сопротивления грунтов сдвигу производят следующими методами по открытой и закрытой схеме соответственно:

- консолидированного (медленного) сдвига, при котором до приложения сдвигающего усилия образец уплотняют соответствующим вертикальным

13

давлением. Испытания проводят в условиях свободного оттока воды (дренирования). Метод применяется для исследования грунтов в условиях уплотненного состояния и дает возможность оценить прочность основания построенного сооружения; - неконсолидированного (быстрого) сдвига, при котором сдвигающее

усилие прикладывается без предварительного уплотнения образца в условиях отсутствия дренирования. Метод применяется для исследования грунтов в условиях нестабилизированного состояния.

14

Лабораторная работа 1 Определение плотности грунта методом режущего кольца

Цель работы: определить плотность глинистого и песчаного грунтов методом режущего кольца.

Оборудование: режущие кольца из некорродирующего металла в форме правильных цилиндров с заострённым снаружи нижним краем (для глинистых грунтов диаметр более 50 мм; для суглинков, супесчаных и тонкопесчаных - 70мм, для крупнозернистых песчаных - 100 мм. Высота кольца не менее половины и не более одного диаметра, толщина стенок не менее 1,5 мм); весы; нож с прямым лезвием длиной не менее трёх диаметров кольца; штангенциркуль; плоские пластины (стеклянные или металлические).

Набор колец для отбора грунта

Ход работы: Измерить штангенциркулем размеры режущего кольца и вычислить его объём по формуле:

V d2 h

4

где d - диаметр кольца, см; h - высота кольца, см.

Определить массу режущего кольца m1 и массу пластин m2. На выровненную поверхность образца грунта поставить кольцо острым краем вниз. Вручную через насадку вдавить кольцо в грунт, не допуская перекосов. По мере вдавливания излишки грунта подрезать ножом. После заполнения кольца излишки грунта подрезать. Наружную поверхность кольца тщательно очистить от грунта, свободные поверхности грунта выровнять и покрыть пластинами. Определить массу кольца вместе с пластинами и грунтом m3. Вычислить объёмную массу грунта по формуле:

15

m3 m2 m V

где m1 - масса режущего кольца, г; m2 - масса пластин, г; m3 - масса кольца с пластинами и грунтом, г; V - объём грунта (по объёму внутренней поверхности кольца), см3.

Все результаты занести в таблицу:

Таблица – результаты определения плотности

Вывод: плотность образца грунта ρ = _____ г/см3, удельный вес =

_____ кН/м3.

Лабораторная работа 2 Определение плотности и удельного веса

минеральной части грунтов

Цель работы. Определить плотность и удельный вес минеральной части незасолённых грунтов.

Оборудование. Технические весы, пикнометр, фарфоровая ступка с пестиком, сито с отверстиями 2 мм, песчаная баня, сушильный шкаф.

Пикнометр 100 мл

16

Подготовка пробы. Среднюю пробу размельченного в ступке воздушно-сухого грунта массой 100-200 г, просеивают через сито с отверстиями 2 мм. Остаток на сите дробят в ступке пестиком и снова просеивают (проба полностью должна пройти через сито с отверстиями 2 мм). Перемешав весь грунт, берут навеску из расчета 15 мм на каждые 100 мл вместимости пикнометра. Из оставшегося грунта берут пробу для определения гигроскопической воды и подсчёта массы грунта поправкой на гигроскопическую влажность:

где m1 - масса грунта в пикнометре в воздушно-сухом состоянии, г Wг - количество гигроскопической воды, %.

В учебных условиях пробу грунта перед определением плотности минеральной части высушивают в сушильном шкафу при t=100...105°С до постоянной массы, следовательно поправку на гигроскопическую воду делать не нужно.

Ход работы. В сухой заранее взвешенный пикнометр через воронку переносят высушенную и подготовленную навеску грунта. Пикнометр с грунтом взвешивают. Масса m0 грунта в пикнометре определяется по разности масс пикнометра с грунтом и пустого пикнометра. В пикнометр с грунтом наливают дистиллированную воду на 1/2 его вместимости, взбалтывают суспензию и кипятят на песчаной бане, установив пикнометр в наклонном положении, не допуская разбрызгивания суспензии. Пробу кипятят 30 мин. - для песков и супесей, 1 час - для суглинков и глин. После кипячения пикнометр доливают до черты кипяченой в течение 1 часа дистиллированной водой и охлаждают в ванне с водой при t = 20°C, после чего через бюретку по каплям доливают кипяченой дистиллированной водой пикнометр так, чтобы нижний мениск суспензии лежал на черте. Пикнометр с суспензией тщательно вытирают снаружи и взвешивают. Содержимое пикнометра выливают, тщательно споласкивают пикнометр, наливают в него кипяченую дистиллированную воду (нижний мениск до черты), выдерживают в ванне с водой при t=20°С, тщательно вытирают и взвешивают. Плотность минеральной части определяют по формуле

где m0 - масса грунта, высушенного при t=100...l05°C, или масса грунта с поправкой на гигроскопическую влажность, г; m2 - масса пикнометра с грунтом и водой до черты, г; m3 - масса пикнометра с дистиллированной водой до черты,г; в -плотностьводы,г/см3.

Полученные в результате опытов данные записывают в таблицу и определяют плотность и удельный вес предложенного образца грунта.

17

Таблица – Результаты опытных взвешиваний и определения плотности минеральной части грунта

Вывод: плотность минеральной части предложенного образца грунта ρ= _____ г/см3, удельный вес = _____кН/м3.

Лабораторная работа 3 Определение плотности и удельного веса грунта методом

гидростатического взвешивания

Цель работы. Определить плотность и удельный вес грунта методом гидростатического взвешивания.

Оборудование. Технические весы с разновесами, гидростатические весы, стеклянный стакан, парафин.

Примечание. Вместо гидростатических весов можно воспользоваться техническими весами со специальной подставкой для стакана с водой.

Прибор гидростатического взвешивания:1- коромысло для технических весов; 2 – подставка; 3 – стакан с водой; 4 – образец грунта в парафине

18

Подготовка пробы. Кусочек грунта с ненарушенным сложением и природной влажностью объемом не менее 30 см3 обрезают ножом, удаляя острые углы, и придают ему овальную форму.

Ход работы. Образец перевязывают нитью и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г (лучше в подвешенном состоянии). Готовый образец опускают в расплавленный парафин на 1-2 с. Поверхность запарафинированного образца должна быть гладкой, без пузырьков воздуха, которые прокалывают нагретой иглой и заглаживают место прокола. Запарафинированный образец взвешивают сначала на воздухе в подвешенном состоянии, затем в воде. Вынув из воды образец, обтирают его фильтровальной бумагой и повторяют взвешивание в воде. При увеличении массы грунта более чем на 0,02 г по сравнению с предыдущей массой образец бракуют из-за того, что вода проникла внутрь парафиновой оболочки.

Работы выполняют не менее чем на двух образцах с расхождением не более чем на 0,03 г/см3. Расчет плотности влажного грунта производят по формуле

где m - масса образца грунта без парафина, г; m1 - масса образца грунта с

Полученные показатели записывают в таблицу и определяют плотность образца грунта и удельный вес.

Таблица – Результаты определения плотности влажного грунта

Вывод: плотность предложенного образца грунта ρ = _____ г/см3, удельный вес =_____кН/м3.

19

Лабораторная работа 4 Определение гранулометрического состава

ситовым методом без промывки водой. Определение коэффициента неоднородности грунта. Определение условного расчетного сопротивления грунта

Цель работы. Определить наименование грунта по зерновому составу, определить коэффициент неоднородности грунта. Определить условное расчетное сопротивление грунта.

Оборудование. Набор стандартных сит с размерами отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм, весы с разновесами, ступка, пестик с резиновым наконечником, термостат или сушильный шкаф.

Набор грунтовых сит

Подготовка пробы. Взвешивают среднюю пробу воздушно-сухого грунта,растираютвступкепестикомсрезиновымнаконечником.

Ход работы.

1. Определение гранулометрического состава ситовым методом без промывки водой. Определяют массу грунта (частные остатки) в граммах на каждом сите и ведут все расчеты. После высушивания грунта в чашке определяют массу частиц размером менее 0,1 мм по разности между массой, взятой для анализа средней пробы, и массой промытого и высушенного грунта. Затем грунт просеивают через стандартный набор сит ручным или механическим способом. Просеивание грунта сквозь каждое сито проверяют над листом чистой бумаги. Остатки на каждом сите взвешивают, и результаты заносят в таблицу. Потерю грунта при просеивании разносят по фракциям пропорционально их массе. Процентное содержание каждой фракции вычисляют по формуле

20