1961

11

метод высушивания проб грунта до постоянной массы для определения влажности и степени водонасыщения его (весовой метод);

метод с использованием балансирного конуса Л.М. Васильева для определения характерных влажности и числа пластичности грунтов;

метод непосредственного наблюдения с использованием капилляриметра системы Г.Н. Каменского для определения высоты капиллярного поднятия воды в грунтах;

метод с использованием стеклянной трубки Г.Н. Каменского для определения коэффициента фильтрации песчаных и супесчаных грунтов;

метод определения набухания по приросту объема грунта в процессе насыщения его водой с помощью прибора конструкции Знаменского (ПКЗ) и др.

1.5. Физико-механические свойства грунтов

Основными физическими свойствами грунтов являются: удельная и объемная массы, влажность, пористость, пластичность, липкость, набухание, усадка, водопроницаемость, коэффициент фильтрации, модуль деформации.

Удельной массой грунта называется отношение массы твердой фазы грунта к его объему или к массе воды равного объема при температуре 4 ºС Она служит показателем минералогического состава грунта. Для большинства грунтов, лишенных органических веществ, удельная масса колеблется от

2,6 г/см3 до 2,8 г/см3.

Объемная масса грунта представляет собой массу грунта в естественном состоянии, отнесенную к его объему. Различают объемную массу влажного грунта, равную отношению массы образца грунта, высушенного при 100…105 ºC до постоянной массы, к его первоначальному объему (до высушивания). В зависимости от зернового состава объемная масса грунтов изменяется в пределах от 1,5 г/см3 до 1,8 г/см3.

Влажностью грунта называют количество (в %) содержащейся в нем воды по отношению к его абсолютно сухой массе. Влажность грунта – величина переменная и может колебаться, в широких пределах.

12

Влажность грунта определяют по формуле

где w – влажность грунта в % от массы сухого грунта; g1 – масса бюкса с влажным грунтом, г;

g0 – масса бюкса с высушенным до постоянной массы грунтом, г; g – масса пустого бюкса, г.

Пористость грунта выражает отношение объема пор в грунте к общему объему, занимаемому грунтом, и может быть определена по формуле

где n – пористость грунта, %;

γск – объемная масса скелета грунта, г/см3;

γy – удельная масса грунта, г/см3.

Пластичностью грунта называют способность его деформироваться под действием внешнего давления без разрыва сплошности массы и сохранять приданную форму после прекращения действия деформирующего усилия.

Число пластичности представляет собой интервал влажности, в пределах которого грунт находится в пластичном состоянии. Оно определяется как разность между границей текучести и границей раскатывания грунта. Число пластичности является важной классификационной характеристикой для глинистых грунтов, и по нему определяют виды и разновидности глинистых грунтов.

Липкость – способность связных грунтов прилипать к различным предметам.

Набухание грунта – увеличение объема при насыщении водой. Этим свойством, так же как и липкостью, обладают только связные грунты вследствие наличия в их составе глинисто-коллоидных частиц, способных гидратировать.

Усадка грунтов – свойство, противоположное набуханию. Водопроницаемостью грунтов называют способность их пропускать через

свою толщу воду, находящуюся под влиянием силы тяжести или под действием гидростатического напора. Скорость просачивания воды через толщу грунта в

13

основном зависит от гранулометрического состава и степени уплотнения грунта, т.е. от величины пор в последнем.

Коэффициент фильтрации измеряется отношением расхода воды в единицу времени через единицу площади поперечного сечения грунта при гидравлическом градиенте λ =1.

Плотность – свойство грунта оказывать сопротивление при его расчленении. Плотность образца грунта ( ρ, кг/м3) равна отношению массы частиц образца грунта, высушенного при 100…105 °С до постоянной массы, к их объему.

Разрыхляемость – увеличение объема грунта при нарушении (разработке) его естественного сложения. Коэффициент разрыхления характеризует отношение объема разрыхленного грунта к объему, который он занимал в естественном залегании.

Модуль деформации грунта характеризует его сжимаемость и представляет собой коэффициент пропорциональности между приращением давления на штамп и приращением осадки штампа, отнесенный к его диаметру. Модуль деформации является обобщающей характеристикой, отражающей как упругие, так и пластические деформации грунта.

Модуль упругости грунтов характеризует сопротивление деформированию под действием нагрузок в стадии обратимых (упругих) деформаций.

l

где P – действующая нагрузка, МПа;

D – диаметр штампа, м;

l– величина упругого прогиба, м;

μ– коэффициент Пуассона ( μ = 0,27 для крупнообломочных грунтов,

μ= 0,30 для песков и супесей, μ = 0,42 для глин).

14

2. Лабораторные работы

Лабораторная работа № 1 Определение зернового состава несвязного грунта ситовым способом

Цель работы: изучить методику определения зернового состава грунтов в лабораторных условиях и научиться определять зерновой состав несвязного грунта ситовым способом.

Оборудование: электронные весы, набор стандартных сит с диаметром отверстий 5; 2; 1; 0,5; 0,25 мм; фарфоровая ступка и пестик с резиновым наконечником, совок, фарфоровые (алюминиевые) чашечки для фракций грунта (или листы бумаги), кисточки для сметания фракций грунта с сит.

Перед определением зернового состава в полевых условиях грунты предварительно подготавливают. Подготовка грунтов имеет цель – разрушить агрегаты и микроагрегаты, содержащиеся в них. Она может быть осуществлена механическим, химическим и физико-механическим методами воздействия на грунт.

Наиболее часто применяемым методом воздействия является механический, к которому относятся методы растирания в сухом или во влажном состоянии, взбалтывания или кипячения приготовленной суспензии.

Определение зернового состава грунта заключается в разделении его на фракции, т.е. группы зерен (твердых минеральных частиц), близкие по крупности, и установлении их процентного содержания.

Порядок выполнения работы

1.Методом квартования отобрать пробу воздушно-сухого грунта массой 100 г для мелко- и среднезернистых песков или 500 г для крупнозернистых песков.

2.Отобранную среднюю пробу грунта поместить в фарфоровую ступку и пестиком с резиновым наконечником растереть имеющиеся слипшиеся комочки грунта. Взвесить отобранную пробу с точностью не менее 0,05 % от взвешиваемой массы.

15

3.Пробу грунта высыпать в верхнее сито колонки сит и просеять ручным или механизированным способом. Полноту просеивания фракций проверяют путем просеивания каждого сита над листом бумаги. Если при этом на лист бумаги выпадают частицы, то их высыпают на следующее сито; просев ведут до тех пор, пока на бумагу не перестанут выпадать частицы грунта. Задержавшиеся зерна на каждом сите внимательно осматривают. Если среди них окажутся комочки или грунтовые агрегаты, то фракции высыпают в ступку, дополнительно растирают пестиком с резиновым наконечником и вновь просеивают.

4.Определить массу каждой фракции, задерживающейся на соответствующем сите, и прошедшей в поддон. При этом необходимо, чтобы общая масса всех фракций была равна массе первоначальной пробы грунта, взятой на анализ. При расхождении масс более чем на 1 % анализ повторяют. Если потеря грунта при просеивании менее 1 %, то ее разносят по всем фракциям пропорционально их массе.

5.Вычислить процентное содержание каждой фракции X по отношению к общей массе грунта P , зная массу Pi каждой i -й фракции

16

6.Изобразить состав грунта в виде суммарной кривой в прямоугольной системе координат. На суммарной кривой выделяют две характерные точки: точку, соответствующую диаметру частиц, меньше которого в грунте содержится 60 % частиц по массе ( d60 ), и точку, соответствующую диаметру частиц,

меньше которого в грунте содержится 10 % частиц ( d10 ).

7. Определить наименование грунта по таблицам приложения, для чего последовательно суммируют процентное содержание частиц исследуемого грунта, сначала крупнее 2 мм, затем крупнее 0,5 мм и, наконец, крупнее 0,25 мм. Наименование грунта занести в тетрадь по данной лабораторной работе. Определить коэффициент неоднородности грунта K

d10

Указать степень неоднородности грунта ( K > 3 – песок разнозернистый или неоднородный; K < 3 – однородный).

8. Оформить отчет и сделать выводы по полученным результатам.

Лабораторная работа № 2 Определение зернового состава грунтов методом С.И. Рутковского

Цель работы: научиться определять содержание песчаных и глинистых частиц в грунте методом взмучивания.

Оборудование и реактивы:

1.Мерные цилиндры емкостью 100 см3;

2.Сито с диаметром отверстий 2 мм;

3.Секундомер или песочные часы на 90 с;

4.Стеклянная палочка с резиновым наконечником.

5.Фарфоровая ступка с резиновым пестиком.

6.5-6 % раствор хлористого кальция.

Порядок выполнения работы

А. Определение содержания песчаных частиц.

1. Среднюю пробу воздушно-сухого грунта осторожно растирают в фарфоровой ступке резиновым пестиком, а затем растертый грунт просеивают через сито с диаметром отверстий 2 мм.

17

2.Просеянный грунт насыпают в мерный цилиндр емкостью 100 см3 до отметки 20 см3 с легким уплотнением его путем постукивания дна цилиндра об упругий предмет (ладонь, тетрадь, книгу).

3.Разрыхляют уплотненный грунт палочкой для лучшего взаимодействия

сводой и наливают в мерный цилиндр воду высотой 12 см, отмеряя от верхнего уровня уплотненного грунта.

4.Грунт взбалтывают (или перемешивают палочкой с резиновым наконечником) до образования однородной суспензии и дают отстояться 60 с. По истечении 60 с мутную воду осторожно сливают, наливают чистой воды и повторяют все до тех пор, пока в цилиндре столб воды высотой 18 см над грунтом через 90 с после взмучивания не станет прозрачным. После этого в цилиндр доливают столбик воды высотой 18 см над уровнем остатка грунта, суспензию взмучивают, дают ей отстояться и устанавливают объем песка, осевшего на дне цилиндра.

Процентное содержание песчаных частиц

где П – содержание песчаных частиц в грунте в %; V1 – первоначальный объем грунта в см3;

V2 – объем песчаных частиц в цилиндре в см3. Б.Определение содержания глинистых частиц.

В мерный цилиндр емкостью 100 см3 насыпают просеянный воздушносухой грунт до отметки 20 см3 и уплотняют легким постукиванием.

Наливают воды до половины цилиндра и тщательно размешивают стеклянной палочкой с резиновым наконечником до прекращения мазков на стенках цилиндра. В суспензию добавляют 2-3 см3 5-процентного хлористого кальция для ускорения оседания. Добавляют воды до отметки 100 и дают суспензии отстояться (1-2 суток).

Объем грунта в цилиндре замеряют и определяют приращение объема на

1 см3

где V3 – первоначальный объем грунта; V4 – объем грунта после набухания.

18

Содержание глинистых частиц определяется по эмпирической формуле Гл=22,7хХ,

где 22,7 – постоянная величина.

В. Определение содержания пылеватых частиц Пл=100+(П+Гл).

Данные анализа заносятся в табл. 2.

Таблица 2

Лабораторная работа № 3 Определение удельной массы грунта

Цель работы: научиться определять удельную массу грунта пикнометрическим способом в лабораторных условиях.

Оборудование: пикнометр (100 мл), электронные весы, сушильный шкаф, стеклянный бюкс, эксикатор, колбонагреватель или песчаная баня, сито с отверстиями 1 мм, термометр, фарфоровая ступка с пестиком, емкость с дистиллированной водой.

Удельной массой грунта называется отношение массы твердых минеральных частиц к их объему. Численно она равна отношению масс этих твердых минеральных частиц грунта к массе воды равного объема при 4 °С. Среднее значение удельной массы для песка 2,66 г/см3, супесей – 2,70 г/см3, для суглинка 2,71 г/см3 и для глины 2,74 г/см3. Удельная масса грунта является показателем минералогического состава грунта и определяется пикнометрическим способом.

19

Порядок выполнения работы

1.Подготовить пробы грунта: отобрать пробу заданного грунта массой до 20…30 г; растереть грунт в ступке; высушить.

2.Снова размять сухой грунт в ступке (если необходимо), просеять его через сито с отверстиями 1 мм.

3.Подготовить пикнометр и определить его массу m , г.

4.Перенести сухой просеянный грунт через воронку в пикнометр. Взвесить пикнометр с сухим грунтом и определить его массу с пробой m1 , г.

5.В пикнометр с грунтом налить дистиллированной воды так, чтобы пикнометр был заполнен на 0,5 своего объема.

6.Для удаления воздуха из пор грунта пикнометр с пробой грунта и водой нагреть до кипения и кипятить в течение 30…60 мин или подвергнуть вакуумированию в течение 10…20 мин. в зависимости от имеющегося оборудования.

7.После процесса кипячения пикнометр охладить и добавить в него дистиллированной воды до прежнего объема. Взвешиванием определить массу пикнометра с грунтом и водой g1 , г.

8.Вылить содержимое пикнометра, промыть его и заполнить дистиллированной водой до 0,5 объема. Взвешиванием установить массу пикнометра с водой g2 , г.

9.Определить массу сухого грунта g (г)

где γв – удельная масса воды, г/см3.

11. Для конкретной пробы данного грунта производится несколько опытов с выполнением требований пунктов 1-10, после чего определяется среднее значение удельной массы грунта γ уд (г/см3)

где n – число опытов;

20

γ удi – значение удельной массы грунта, полученное в конкретном i -ом опыте, г/см3;

12.Представить результаты работы в форме табл. 3.

13.Оформить отчет и сделать выводы по результатам работы.

Таблица 3 Результаты определения удельной массы грунта_______________________

Лабораторная работа № 4 Определение угла естественного откоса грунта

Цель работы: изучить методику определения угла естественного откоса грунта в лабораторных условиях и научиться пользоваться прибором для определения угла естественного откоса грунта.

Оборудование: прибор для определения угла естественного откоса грунта, сосуд с водой.

Углом естественного откоса грунта α принято называть максимальный угол, образованный поверхностью свободного откоса с горизонтом, при котором грунт находится в состоянии предельного равновесия. Он характеризует устойчивость грунта земляного полотна, его величина позволяет судить о размерах насыпей выемок и водоотводных каналов. В лабораторных условиях величину угла естественного откоса определяют для сухого грунта и для подводного состояния его, используя ящичек прямоугольной формы из