Лаб-2014 МГ

Учебно-методическое пособие предназначено к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Механика грунтов», для студентов всех профилей подготовки по направлению 08.03.01 «Строительство» всех форм обучения.

В пособии приводится справочный теоретический материал, методика выполнения лабораторных работ в соответствии с требованиями государственных стандартов.

Составители: Галимнурова О.В., доц., канд. техн. наук Урманшина Н.Э., доц., канд. техн. наук

Рецензенты: Гареева Н.Б., д-р техн. наук, проф. АДиТСП Мулюков Э.И., д-р техн. наук, проф.

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2014

2

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий, земляного полотна в автомобильном строительстве ведётся с учётом данных о видах и свойствах грунтов, слагающих площадку строительства или находящихся вдоль будущей автомобильной дороги. В своей практике строители встречаются с различными грунтами, весьма разнообразными по своему составу, свойствам и состоянию. Инженерногеологическая классификация грунтов по ГОСТ 25100-2011, устанавливает четыре класса грунтов: класс скальных грунтов с жесткими кристаллизационными и цементационными структурными связями, класс дисперсных грунтов без жестких структурных связей, а также класс мерзлых и техногенных грунтов. Каждый из этих классов подразделяется на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности.

Выделение грунтов в виды производится по происхождению, в подгруппы - по условиям образования. Грунты того или иного типа и вида различаются характеристиками, определяющими вещественный состав (гранулометрический состав, число пластичности) и его состояние (показатели влажности, плотности, консистенции).

Наряду с классификационными показателями для проектирования различных сооружений необходимо знать и определять показатели прочности и деформативности грунтов (коэффициент или угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации или коэффициент уплотнения). Кроме того, для расчетов притока воды к котлованам и дренажам, а также для расчетов скорости уплотнения глинистых грунтов во времени необходимо определять их водопроницаемость (коэффициент фильтрации).

Практическое ознакомление с методами лабораторного определения всех этих характеристик студенты получают при прохождении практикума по механике грунтов. Для успешного выполнения лабораторных работ студент должен предварительно ознакомиться с теоретическим материалом, методическими указаниями и лишь тогда приступить к выполнению той или иной работы. Результаты отдельных операций, измерений и наблюдений, выполняемых по ходу работы, студент должен заносить в журнал лабораторных работ. По окончании лабораторного практикума студент сдает зачет по всем работам.

Целью испытаний грунтов в полевых и лабораторных условиях является изучение их физических и механических свойств. После чего студент определяет его несущую способность и принимает решение о возможности использования его в качестве материала для земляного полотна в дорожном строительстве, в качестве естественного или искусственного основания зданий и сооружений в промышленном и гражданском строительстве.

3

Цель пособия: ознакомить студентов с основными методами определения важнейших показателей состава физико-механических свойств грунтов; закрепить при проведении лабораторных работ теоретические сведения; привить навыки самостоятельного исследования, анализа экспериментальных результатов и принятия рационального технического решения в конкретных инженерно-геологических условиях строительной площадки.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИСПЫТАНИЮ ГРУНТОВ (ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ)

Лабораторные работы по испытанию грунтов для строительства проводятся в соответствии с нормативными документами (ГОСТ, СН, ВСН, СНиП), которые по мере необходимости периодически изменяются и дополняются. Все методы лабораторных испытаний грунтов основаны на учете многолетних определений и современном уровне развития грунтоведения.

Порядок взятия и подготовка грунтов для испытания

Испытания грунтов в лабораториях проводятся на образцах, извлеченных из шурфов и скважин, с ненарушенным (монолитах) и с нарушенным сложением. Отбор, упаковка, хранение и транспортирование образцов производится в соответствии с ГОСТ 1 . Образцы грунтов отбирают из каждого генетического горизонта выработок. Монолиты (образцы с ненарушенным сложением) берут в форме куба или параллелепипеда размерами не менее 100 и не более 250 мм. Стенку или дно выработки зачищают и намечают контур монолита несколько больших размеров, вырезают грунтовый столбик, отделяя его от массива. Грани монолита выравнивают, доводя до нужных размеров. Если грунт не может сохранять форму вырезаемых образцов, монолиты берут при помощи режущего кольца с внутренним диаметром не менее 90 мм, высотой не менее одного и не более двух диаметров кольца. Из скважин монолиты отбирают с уровня зачищенного забоя. На всех извлеченных монолитах указывают «верх» путем размещения этикетки с номером образца. Для сохранения естественной влажности отобранные монолиты немедленно оборачивают марлей и парафинируютспециальнойпастой, укладываяэтикетку.

Образцы грунтов с нарушенным сложением из шурфов и расчисток отбирают при помощи ножа и лопаты. Пробу грунтов берут из скважин. Пробы с нарушенным сложением без сохранения естественной влажности берут в любую тару, обеспечивающую сохранение мелких частиц грунта (мешочки из плотной ткани или водостойкой бумаги). Внутрь тары кладут

4

этикетку, завернутую в кальку, покрытую слоем парафина. Второй экземпляр этикетки наклеивают на тару.

Образцы грунтов с нарушенным сложением, в которых требуется сохранить естественную влажность, укладывают в металлические или пластмассовые банки (бюксы) с герметически закрывающимися крышками. Горловину банки с крышкой парафинируют. Для отправки в лаборатории, расположенные на большом расстоянии от места отбора проб, образцы упаковывают в деревянные ящики.

Для учебных целей испытания грунтов могут производиться на грунтовых пастах, которые предварительно готовятся в лаборатории.

Описание свойств грунтов, их поведение в строительный и эксплуатационный периоды основываются на анализе результатов оценки состава, состояния и свойств этих грунтов. Такой анализ необходимо выполнять с учетом геологического строения изучаемого района, участка или площадки с одной стороны и условий работы и эксплуатации проектируемого сооружения - с другой.

Дисперсность грунтов, наличие порового пространства, частично или полностью заполненного водой, слабые структурные связи между частицами обусловливают многообразие и изменчивость свойств грунтов. Для описания этих свойств используют большое количество показателей, совокупность которых характеризует специфические особенности того или иного грунта.

Показатели свойств грунтов подразделяют на физические, определяющие природное (естественное) состояние грунтов, и механические, характеризующие поведение грунта под нагрузкой, вызванной массой сооружения.

1 СОСТАВ, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ

Грунты – это природные или искусственные образования (горные породы, илы, отвалы шлака, насыпи и прочее), используемые в качестве оснований, частей инженерных сооружений.

Грунт в целом представляет собой совокупность твёрдых, жидких, газообразных и органических составляющих, находящихся в различных соотношениях и связанных различными силами друг с другом. Грунты различаются между собой строением, составом и свойствами.

Механика грунтов изучает состояние покоя или движения массива грунта, обусловленное действием нагрузки. Величины, характеризующие те свойства грунтов, которые определяют его отклик на действие различных факторов, называют параметрами или показателями. Показатели физикомеханических свойств грунтов позволяют оценить поведение грунтов при действии на них внешних сил и зависят от строения и вещественного состава грунта.

5

Физические свойства грунтов:

плотность грунта в целом;

плотность минеральной части грунта;

плотность скелета грунта;

пористость;

Водно-физические свойства грунтов:

влажность в естественном состоянии;

влажность на границе раскатывания;

влажность на границе текучести;

водоподъёмная способность (капиллярное поднятие воды);

влагоёмкость;

пластичность;

консистенция;

липкость;

набухание;

усадка и другие.

Физические и водно-физические свойства грунтов определяются на основании ГОСТ 2,3 . Все эти свойства определяют возможность использования их в строительстве в естественном или искусственном состоянии, их поведение под нагрузкой в период строительства, эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений.

Пористость, плотность и удельный вес грунтов

Пористостью называется отношение общего объема пор (трещин, пустот) к единице объема грунта, выраженное в процентах. Пористость грунтов зависит от степени дисперсности, происхождения, химикоминералогического состава и других свойств.

Средние значения пористости некоторых грунтов: гравия - 27%; песка крупного с гравием - 38%; песка крупного - 40%; песка мелкого - 42%; суглинка - 47%; глины - 50% и более. Для одного и того же грунта пористость не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от давления на грунт и взаимного расположения частиц.

Для определения пористости необходимо определить следующие физические свойства: плотность минеральной части ρs; плотность грунта ρ; плотность скелета ρd , влажность W.

Плотностью минеральной части грунта называется отношение массы частиц грунта, высушенного при t=100...105°С, к их объему. Плотность минеральной части грунта зависит от минералогического и химического составов. Плотность повышается с увеличением вгрунтетяжелыхминералов.

В среднем плотность минеральной части различных грунтов составляет: песчаных-2,65,суглинистых-2,70,глинистых-2,75г/см3.

6

Определение плотности минеральной части производят в пикнометре или мерной колбе вместимостью не менее 100 мл. При определении плотности минеральной части незасоленных грунтов используют дистиллированную воду, а при наличии засоленных грунтов - неполярную жидкость (керосин, бензин). Взвешивание производят с точностью до 0,01 г. Для каждого образца грунта в производственных условиях производят два параллельных определения с расхождением между результатами не более 0,02 г/см3. Плотность минеральной части определяют как среднее арифметическое результатов параллельных определений.

Удельный вес грунтов получают, умножая значения плотности на

Плотностью грунтов называется масса единицы объема грунта вместе с порами (занятыми как водой, так и воздухом). Величина плотности зависитот минералогического и химического составов, сложения (количества пор), структуры и влажности грунтов. Чем больше влажность грунта, тем больше его плотность. В связи с этим определение плотности грунтов производится различными методами. Метод режущего кольца основан на непосредственном измерении плотности грунта и применим для связных грунтов, поддающихся обработке ножом без выкрашивания, а также несвязных грунтов, когда объём образца определенной формы может быть сохранен при наличии жёсткой тары.

Гранулометрический состав грунтов

Гранулометрическим называется состав грунтов по размерам частиц (зерен) в миллиметрах и количеству в процентах к массе абсолютно сухого грунта. Гранулометрический состав является одной из важнейших характеристик грунтов, дает возможность оценить его физико-механические свойства и решить вопрос об использовании в строительстве. Зерна (частицы) грунта, близкие по размерам и свойствам, объединяют в группы, называемые гранулометрическими фракциями. Любой грунт обычно включает четыре основных гранулометрических фракции:

гравийная с размером частиц крупнее 2 мм;

песчаная ……………………………….2-0,05 мм;

пылеватая ………………………………0,05-0,005 (0,002) мм;

глинистая ……………………... мельче 0,005 (0,002) мм.

Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов в зависимости от размера частиц определяется по ГОСТ [4, таблица Б.2.2].

Каждая гранулометрическая фракция состоит из отдельных зерен (частиц), называемых гранулометрическими элементами, например: 1, 0,1, 0,05 мм и т. д. Определение гранулометрического состава грунтов

7

производят различными методами: ситовым, ареометрическим, пипеточным, полевым и др.

Ситовый метод

Ситовый метод определения гранулометрического состава основан на разделении грунта по фракциям при просеивании его через набор стандартных сит [5]. Ситовый метод используют для определения состава несвязных крупнообломочных и песчаных грунтов. Для относительно рыхлых и чистых грунтов ситовый анализ проводят в воздушно-сухом состоянии без промывки водой с выделением частиц от 10 до 0,5 мм. При слабой связности и наличии в грунте пылеватой и глинистой фракции ситовый анализ проводят с промывкой водой и выделением частиц размерами от 10 до 0,1 мм. Среднюю пробу воздушно-сухих грунтов отбирают методом квартования, деля на квадранты. Для этого насыпают грунт тонким слоем на лист плотной бумаги (фанеры, картона), проводят шпателем борозды в продольном и поперечном направлениях, разделяя грунт на четыре равные части (квадранты). Из каждого квадранта отбирают понемногу грунта до нужной массы: 100 г для грунтов, не содержащих частиц размером крупнее 2 мм; 500 г для грунтов, содержащих до 10% (по массе) частиц размером крупнее 2 мм; 1000 г для грунтов, содержащих от 10 до 30% частиц размером крупнее 2 мм; не менее 2000 г для грунтов, содержащих свыше 30% частиц размером крупнее 2 мм.

Определение коэффициента неоднородности

Для определения меры неоднородности гранулометрического состава сыпучих грунтов следует вычислить величины d60, d10 – диаметры частиц, меньше которых в данном грунте содержится по массе соответственно 60% и 10% частиц. Мерой неоднородности гранулометрического состава сыпучих грунтов служит коэффициентнеоднородности

Cu=d60 .

d10

При значенииCu 3,0– песок однородный,Cu 3,0– неоднородный. Величины d60 и d10 можно определить по графику однородности

гранулометрического состава путем определения кривой однородности. Порядок определения значенияd60 и d10 рассмотрим на примере:

составляется таблица для построения графика однородности, в неё заносятся данные гранулометрического состава грунта;

производится суммирование процентного содержания частиц грунта, причем суммарная величина процентного содержания частиц грунта – итоговая сумма – должна бытьравна или близка100%(100 1%);

8

строят координатную сетку (рис. 1), откладывая по оси абсцисс логарифм диаметра частиц в миллиметрах или микронах, а по оси ординат– их процентное содержание;

наносят на координатную сетку точки, соответствующие значениям в указанных строках и столбцах, и соединяют прямыми линиями;

пересечение построенных кривых однородности для каждого слоя грунта с горизонтальными линиями, соответствующими частицам 60% и 10%, дает искомые величины эффективных диаметров частиц при опускании перпендикуляра из точек пересечения на ось абсцисс.

Диаметр частиц, мм

Рисунок 1 – пример построения гранулометрической кривой

На одном графике обычно строят кривые однородности для двух – четырех слоевгрунта.

Полученные значения физических характеристик грунтов каждого слоя заносят в сводную ведомость физико-механических свойств, в которой указывается также полное наименование грунта.

2 ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Водоподъемная способность грунтов

Водоподъемной способностью называется способность грунтов перемещать капиллярную воду от уровня свободной поверхности вверх или в сторону. Капиллярные свойства объясняются наличием в грунте сложной системы капиллярных пор различного размера иформы.

9

Водоподъемная способность грунта подчиняется следующим законам физики:

передвижение воды по капиллярам не зависит от влияния силы тяжести; движение воды по капиллярам происходит в направлении, противоположном уровню свободной поверхности воды;

высота капиллярного поднятия воды обратно пропорциональна диаметру капилляра - чем меньше диаметр капилляра, тем больше высота капиллярного поднятия;

перемещение воды по капиллярам происходит тем медленнее, чем меньше диаметр капилляра; капиллярное поднятие воды зависит от ее вязкости, поэтому с повышением температуры высота капиллярного поднятия воды уменьшается, а скорость капиллярного поднятия увеличивается.

Высота капиллярного поднятия зависит от гранулометрического и минералогического состава, структуры, сложения и первоначального увлажнения грунта. В среднем значения капиллярного поднятия некоторых грунтов можно принять:

В глинистых грунтах преобладают процессы осмотического перемещения воды, а не фильтрация. Кроме того, в глинистых грунтах увеличивается доля связанной воды, что способствует снижению капиллярного поднятия воды.

Влагоёмкость грунтов

Способность грунтов удерживать в своих порах воду называется влагоемкостью. Влагоемкость бывает: гигроскопическая, максимальная молекулярная, капиллярная или относительная, полная. Гигроскопической влагоемкостью называется способность частиц грунта притягивать из «воздуха» парообразную влагу. Максимальной молекулярной влагоемкостью называется способность грунта удерживать в себе влагу силами молекулярного сцепления между частицами грунта и водой. Капиллярной или относительной называется влагоемкость, при которой вода заполняет в грунте только капиллярные поры. Влагоемкость, при которой все поры грунта заполнены водой, а коллоидная часть набухла, называется

полной или максимальной.

Содержание воды в воздушно-сухом грунте, удаляемой высушиванием при температуре 100...105° С, называется гигроскопической влажностью.

10