МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» Кафедра «Строительные конструкции, основания и фундаменты» К. Н. ПИРОГОВСКИЙ МЕХАНИКА ГРУНТОВ Лабораторный практикум Одобрен методическими комиссиями факультетов С и ПГС Гомель 2007 УДК 634.131(076.5) ББК 38.53 П33 Р е ц е н з е н т – д-р техн. наук, профессор кафедры «Строительные конструкции, основания и фундаменты» БелГУТа И.Ф. Вотяков. Пироговский, К. Н. П33 Механика грунтов: лабораторный практикум / К. Н. Пироговский; М-во образования Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель: БелГУТ, 2007. – 45 с. ISBN 978-985-468-283-9 Даны методические указания для выполнения лабораторных работ по курсу «Механика грунтов» с учетом действующих в Республике Беларусь ГОСТов и СТБ. Практикум поможет изучить методику испытания грунтов при инженерногеологических изысканиях, используемые приборы и оборудование, а также овладеть методами статистической обработки полученных результатов. Предназначен для студентов специальностей С и ПГС всех форм обучения. УДК 634.131(076.5) ББК 38.53 ISBN 978-985-468-283-9 © Пироговский К. Н., 2007 © Оформление. УО "БелГУТ", 2007 2 СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа № 1 Гранулометрический анализ грунта................................. Лабораторная работа № 2 Определение плотности частиц грунта............................ Лабораторная работа № 3 Определение плотности, влажности грунта и расчетных характеристик...................................................................................................... Лабораторная работа № 4 Определение характерных влажностей глинистых грунтов (границ консистенции)................................................................................. Лабораторная работа № 5 Определение коэффициента фильтрации глинистого грунта............................................................................................................................ Лабораторная работа № 6 Компрессионные испытания глинистых грунтов........... Лабораторная работа № 7 Определение сопротивления грунта сдвигу.................... Лабораторная работа № 8 Испытание глинистого грунта на консолидацию........... Лабораторная работа № 9 Статистическая обработка результатов испытания грунта на сдвиг............................................................................................................ Список литературы............................................................................................................ 3 4 13 16 20 24 28 32 37 41 45 Лабораторная работа № 1 ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГРУНТА Цель работы. Ознакомиться с методикой и аппаратурой, применяемыми при гранулометрическом анализе грунтов; научиться проводить опыты самостоятельно. Краткие сведения из теории Гранулометрическим составом грунта называется содержание в нем фракций, выраженное в процентах к общей массе пробы грунта. Гранулометрический состав грунта является одним из важнейших факторов, определяющих физико-механические свойства грунта (сопротивление сдвигу, сжатию, водопроницаемость и др.). С целью определения гранулометрического состава выполняют гранулометрический или механический анализ, который заключается в разделении пробы грунта на фракции, т.е. группы с близкими по величине частицами. Гранулометрический анализ крупнообломочных и песчаных грунтов в первую очередь необходим для их классификации в соответствии с действующими нормами. Наиболее распространены два метода гранулометрического анализа: ситовой метод – для разделения фракций диаметром до 0,1 мм и ареометрический метод – для разделения фракций диаметром частиц менее 0,1 мм. Ситовой метод. Этот метод является основным при определении гранулометрического состава песчаных грунтов. Для разделения грунта на фракции применяют набор сит с поддоном и крышкой. В набор вхо4 дят штампованные сита диаметром отверстий 10; 5; 3; 2; 1 мм и проволочные сита с квадратными отверстиями 0,5; 0,25 и 0,1 мм. Последние два сита применяют при анализе с промывкой водой, что необходимо при анализе глинистых песков. Среднюю пробу грунта для анализа отбирают либо методом квадратов, либо квартованием. В первом случае грунт рассыпают тонким слоем на листе чистой бумаги, затем продольными и поперечными бороздами делят грунт на одинаковые квадраты и отбирают из квадратов пробу грунта массой около 50–100 г. Во втором случае рассыпанный тонким слоем грунт делят взаимно перпендикулярными линиями на четыре равные части (квадранты); две противоположные части (по диагонали) оставляют, другие – удаляют. В дальнейшем этот прием сокращения пробы повторяют до тех пор, пока не останется необходимое количество грунта. Масса средней пробы должна составлять для грунтов: не содержащих частиц крупнее 2 мм, – 100 г; содержащих не более 10 % частиц крупнее 2 мм, – 500 г; содержащих от 10 до 30 % частиц крупнее 2 мм, – 1000 г. Ареометрический метод. Этот метод принят в качестве основного метода гранулометрического анализа пылеватых и глинистых грунтов. В основу этого метода положена зависимость скорости выпадения частиц в осадок от их диаметра, определяемая законом Стокса. Формула Стокса может быть представлена в виде dA vA HR , T где А – коэффициент, зависящий от температуры и плотности частиц грунта, определяемый по таблице 1; HR – путь частиц от поверхности жидкости до центра водоизмещения ареометра, соответствующий исправленному отсчету; T – время падения частиц, мин. По приведенной формуле можно рассчитать диаметр частиц для любого значения Т при ареометрическом анализе. По мере выпадения частиц в осадок плотность суспензии уменьшается. В любой момент времени она может быть замерена ареометром. Ареометр (рисунок 1) представляет собой запаянный стеклянный поплавок. В нижней части ареометра – луковице, имеющей больший диаметр, находится груз, придающий ареометру устойчивость. Верхняя 5 часть ареометра – стержень – снабжена шкалой, на которую нанесены деления – значения плотности суспензии. Деления на шкале нанесены с точностью до 0,0005. Ареометр, применяемый для гранулометрического анализа, рассчитан на определение плотности жидкости от 0,995 до 1,030. Т а б л и ц а 1 – Значения коэффициента А в формуле Стокса s, г/см3 13 14 2,65 2,66 2,67 2,68 2,69 2,70 2,71 2,72 2,73 2,74 2,75 2,76 2,77 2,78 1,497 1,492 1,488 1,483 1,479 1,474 1,470 1,466 1,462 1,457 1,453 1,449 1,445 1,441 1,475 1,471 1,466 1,462 1,458 1,453 1,449 1,445 1,441 1,437 1,433 1,429 1,424 1,420 Значение коэффициента А102 при температуре t, С 15 16 17 18 19 20 1,458 1,454 1,449 1,445 1,441 1,436 1,432 1,428 1,424 1,420 1,416 1,412 1,408 1,404 1,437 1,433 1,429 1,424 1,419 1,415 1,411 1,407 1,403 1,399 1,395 1,391 1,387 1,383 0,955 Уровень суспензии 1,000 l H R 1,030 Центр водоизмещения ареометра при данном погружении a Центр водоизмещения луковицы 1,420 1,416 1,412 1,408 1,403 1,399 1,395 1,391 1,387 1,383 1,379 1,375 1,371 1,369 1,403 1,399 1,395 1,390 1,388 1,381 1,378 1,374 1,370 1,366 1,362 1,358 1,354 1,350 1,386 1,382 1,378 1,347 1,368 1,365 1,361 1,357 1,353 1,349 1,346 1,342 1,338 1,334 1,369 1,363 1,361 1,357 1,353 1,348 1,344 1,340 1,336 1,333 1,329 1,325 1,321 1,317 21 22 1,352 1,348 1,344 1,340 1,335 1,331 1,327 1,323 1,319 1,315 1,312 1,308 1,304 1,301 1,335 1,331 1,327 1,319 1,315 1,312 1,308 1,304 1,300 1,296 1,292 1,228 1,285 1,281 Перед началом работы необходимо определить характеристики ареометра: объем луковицы ареометра V0; расстояние от нижнего деления шкалы до центра водоизмещения луковицы ареометра а; длину шкалы ареометра. Кроме перечисленных выше характеристик, при выполнении расчетов вычисляют значения HR – положение центра водоизмещения ареометра при различных значениях отсчетов по ареометру: HR Рисунок 1 – Схема ареометра 6 V 30 P la 0 , 30 2F где Р – отсчет по шкале ареометра с учетом всех поправок; l, a, V0 – характеристики ареометра; F – площадь мерного цилиндра. Для удобства работы с ареометром берут упрошенный отсчёт, отбрасывая единицу и перенося запятую на три знака вправо. Например, отсчёт 1,0255 следует читать 25,5. Такой отсчёт обозначают как Р и называют упрощенным отсчётом. Так как суспензия не прозрачна, то отсчёты во время анализа приходится брать по верхнему краю мениска. При этом показания уменьшаются на высоту мениска. Разница отсчётов (высота мениска) определяется один раз, и затем к каждому отсчёту прибавляется поправка на мениск, Показания ареометра будут правильными только при 20 °С. Если температура суспензии отлична от 20 °С, вводят температурную поправку (таблица 2). Т а б л и ц а 2 – Температурные поправки к ареометру Температура суспензии, С Поправка к отсчету по ареометру Температура суспензии, С Поправка к отсчету по ареометру 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 –1,2 –1,2 –1,2 –1,1 –1,1 –1,0 –1,0 –0,9 –0,9 –0,8 –0,8 –0,7 –0,6 – 0,6 17,0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 23,5 – 0,5 – 0,4 – 0,3 – 0,3 – 0,2 – 0,1 0,0 +0,1 +0,2 +0,3 +0,4 +0,5 +0,6 +0,7 Температура суспензии, С Поправка к отсчету по ареометру 24,0 24,5 25,0 25,5 26,0 26.5 27,0 27,5 28,0 28,5 29,0 29,5 30,0 +0,8 +0,9 +1,0 +1,1 +1,3 +1,4 +1,5 +1,6 +1,8 +1,9 +2,1 +2,2 +2,3 Помимо перечисленных выше характеристик ареометра и поправок должны быть учтены поправки на нулевое показание ареометра и поправку на диспергатор. Поправку на нулевое показание ареометра определяют путём погружения ареометра в мерный цилиндр, наполненный дистиллированной водой при температуре 20 ˚С. 7 Полученный при этом отсчёт принимают за единицу плотности. Разность между замеренным отсчётом и единицей по шкале ареометра равна поправке, которую вводят в расчёт. Поправку прибавляют к каждому отсчету по шкале ареометра, если ареометр при проверке показывает менее 1,000, и вычитают, если ареометр показывает более 1,000. Поправку на диспергатор определяют следующим образом. В стеклянный мерный цилиндр наливают 950 см3 дистиллированной воды, опускают ареометр и производят отсчет по верхнему краю мениска. Добавляют в цилиндр диспергирующее вещество в требуемом количестве. Затем доливают в цилиндр воду до 1 л, смесь взбалтывают, опускают в неё ареометр и вновь производят отсчёт по верхнему краю мениска. Разность между отсчётами даёт искомую поправку. Поправку вычитают из каждого отсчёта по шкале ареометра при замере плотности суспензии. Приборы и оборудование Ситовой метод: 1) набор сит; 2) весы технические с разновесом; 3) линейка для разравнивания грунта; 4) фарфоровая ступка с резиновым пестиком; 5) чашки фарфоровые; 6) груша резиновая. Ареометрический метод: 1) весы аналитические; 2) весы технические, 3) набор сит; 4) плитка электрическая; 5) цилиндр мерный вместимостью 1000 мл; 6) цилиндр простой вместимостью 1000 мл; 7) ареометр грунтовый; 8) мешалка для перемешивания суспензии; 9) секундомер; 10) термометр. Порядок выполнения работы Анализ грунта с разделением на фракции без промывки водой 1 Подготавливают грунт к анализу. Для этого грунт в воздушносухом состоянии помещают в фарфоровую ступку и резиновым пестиком разрушают агрегаты, удаляют из грунта растительные остатки, отбирают среднюю пробу грунта и взвешивают ее с точностью до 0,01 г. 2 Взвешенную воздушно-сухую пробу грунта просеивают через набор сит с поддоном. Содержимое каждого сита, начиная с крупного, переносят в фарфоровую ступку и дополнительно обрабатывают резиновым пестиком, после чего вновь просеивают через то же сито над 8 листом чистой бумаги. Мелкие частицы, прошедшие через сито, переносят на следующее сито. Просеивание продолжают до тех пор, пока на бумагу не перестанут выпадать мелкие частицы. 3 Взвешивают остатки на ситах и поддоне с точностью до 0,01 г. Складывают массы остатков. Если разница между суммой масс остатков и массой взятой пробы превышает 1 %, анализ необходимо повторить. Потери грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропорционально их массе. 4 Содержание каждой фракции А, %, вычисляют по формуле А mф m 100, где mф – масса данной фракции, г; m – масса взятой для анализа пробы, г. Результаты вычислений, выраженные с точностью до 0,1 %, заносят в журнал лабораторных работ. Анализ грунта ареометрическим методом 1 Определяют плотность частиц анализируемого грунта. 2 Взвесив на весах среднюю пробу массой 200 г воздушно-сухого грунта, просеивают ее сквозь набор сит с отверстиями до 0,5 мм. 3 Остатки на ситах и в поддоне взвешивают и рассчитывают процентное содержание фракций с учетом гигроскопической влажности. 4 Частицы, прошедшие через сито 0,5 мм, хорошо перемешивают и отбирают методом квадратов среднюю пробу в количестве 40 г для супесей, 30 г для суглинков и 20 г для глин. 5 Производят опробование суспензии на коагуляцию. Отбирают методом квадратов пробу грунта массой около 2 г, растирают её с 4–6 см3 дистиллированной воды в фарфоровой чашке пестиком с резиновым наконечником. Затем доливают в чашку ещё 14–16 см3 дистиллированной воды, и кипятят суспензию в течение 5–10 мин. Выливают суспензию в мерный цилиндр вместимостью 100–150 мл и доливают дистиллированную воду в таком количестве, чтобы объём суспензии был равен: около 100 см3 – для глин, 70 см3 – для суглинков и 50 см3 – для супесей. Взбалтывают суспензию и оставляют в покое на сутки. Если суспензия за это время коагулирует, выпавший на дно сосуда осадок должен иметь рыхлую, хлопьевидную структуру, а жидкость над осадком будет прозрачная. 9 6 Переносят пробу грунта, суспензия которой не коагулирует в плоскодонную колбу вместимостью 750–1000 мл и, долив десятикратным по отношению к массе навески количеством дистиллированной воды, выдерживают его не менее суток, после чего растирают комочки набухшего грунта. 7 Прибавляют в колбу 1 см3 25 %-ного раствора аммиака, закрывают её пробкой с обратным холодильником и кипятят суспензию в течение часа. Охлаждённую суспензию сливают сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм в стеклянный цилиндр вместимостью 1 л. 8 К средней пробе грунта, суспензия которого коагулирует, добавляют воду, взбалтывают и сливают в стеклянный цилиндр сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм, не производя размачивания в течение суток и последующего кипячения. 9 Смывают задержавшиеся на сите частицы струёй воды в фарфоровую чашку, где их тщательно растирают резиновым пестиком. Образовавшуюся в чашке взвесь сливают в цилиндр сквозь сито (см. п. 7), а остаток опять переносят в фарфоровую чашку. Операцию растирания и сливания повторяют до полного осветления воды над остатком в фарфоровой чашке. 10 Остаток, не прошедший сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм, переносят в фарфоровый тигель, выпаривают на песчаной бане, высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы и просеивают сквозь сита с размером отверстий 0,25 и 0,1 мм. Частицы, прошедшие сквозь сито с размерами отверстий 0,1 мм, переносят в цилиндр с суспензией. Взвешивают фракции, задержавшиеся на ситах. 11 Цилиндр с суспензией доливают водой (если это требуется) до 1 л. При анализе грунта, суспензия которого коагулирует, перед доливанием воды в цилиндр добавляют в него 25 см 3 4 %-ного безводного или 6,7 %-ного водного пирофосфорнокислого натрия (Na4P2О7 или Na4Р2O7 · 10H2O). 12 Суспензию интенсивно перемешивают (в течение одной минуты), извлекают мешалку и одновременно пускают секундомер. 13 Через 20 с в цилиндр с суспензией осторожно опускают ареометр, и через 30 с после начала опыта берут первый отсчёт по ареометру, следя при этом, чтобы ареометр не касался стенок цилиндра. Последующие отсчёты берутся через 1; 2; 3; 4; 5; 15; 30 мин, 1; 1,5; 3 и 4 часа. За 5–10 с перед каждым отсчётом в суспензию осторожно погружают ареометр. 10 14 Начиная с отсчёта, взятого после 5 мин, ареометр после каждого отсчёта извлекают и погружают в цилиндр с чистой дистиллированной водой. 15 После извлечения ареометра в суспензию погружают термометр и замеряют температуру. 16 Показания термометра и ареометра заносят в журнал. Обработка результатов анализа грунта ареометрическим методом 1 Определение диаметров частиц по данным ареометрического анализа следует выполнять по формуле Стокса, приведенной на с. 5. Результаты расчета заносят в журнал. 2 Вычисляют массу средней пробы грунта m2, г, с учётом поправки на гигроскопическую или природную влажность по формуле m2 mв , 1 w где mв – масса средней пробы в воздушно-сухом состоянии (или с природной влажностью), г; w – гигроскопическая или природная влажность. 3 Вычисляют содержание частиц, %, размером менее данного диаметра по формуле s P Q 100 K , (s w )m2 где S – плотность частиц грунта, г/см3; Р – исправленный отсчёт по ареометру; w – плотность воды, г/см3; К – суммарное содержание фракций более 0,5 мм, %. 4 Результаты вычислений заносят в журнал лабораторных работ. 5 По полученным данным строят кривую гранулометрического состава в полулогарифмической системе координат. Построение кривой гранулометрического состава Для построения кривой необходимо иметь сетку, в которой на оси абсцисс отложена логарифмическая шкала диаметров, а на оси ординат – нормальная шкала процентного содержания фракций (рисунок 2). Кри11 вая гранулометрического состава суммарная. Это значит, что на данном диаметре откладывается суммарное содержание фракций меньше этого диаметра. Построение графика удобно начать с фракций, прошедших через самое мелкое сито (здесь 0,1 мм). Процентное содержание этих фракций откладывается на диаметре 0,1 мм. Затем берётся диаметр 0,25 мм и на нем откладывается суммарное процентное содержание фракций, имеющих диаметр менее 0,25 мм, и т. д. % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,001 d5 0,01 0,10 d 50 1,00 d 95 d, мм Рисунок 2 – Кривая гранулометрического состава На этом же графике наносятся и результаты ареометрического анализа. Поскольку в этом случае получена сумма фракций, меньших определённого диаметра, то дополнительное суммирование не производят, а против диаметров откладывают содержание фракций. После того как точки найдены, их соединяют отрезками прямой, а затем для песчаных грунтов по графику находят показатель максимальной неоднородности грунта U max d 50 d 95 , d5 где d95, d50, d5 – диаметры частиц, мм, меньше которых в данном грунте содержится по массе соответственно 95, 50 и 5 % частиц. 12 d95, d50 и d5 определяют по кривой гранулометрического состава следующим образом: из точки на оси ординат, соответствующей 95, 50 или 5 %, проводят прямую до пересечения с кривой; из точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс; полученная на оси абсцисс точка и даёт d95, d50 и d5. Классификация песчаных грунтов по гранулометрическому составу может быть выполнена по таблице 3, а по показателю максимальной неоднородности – по таблице 4. Т а б л и ц а 3 – Классификация песчаных грунтов по гранулометрическому составу Песок Гравелистый Крупный Средний Мелкий Пылеватый Распределение частиц по крупности, % от массы воздушно-сухого грунта Масса частиц крупнее 2 мм более 25 % То же 0,5 мм более 50 % “ 0,25 мм более 50 % “ 0,1 мм 75 % и более “ 0,1 мм менее 75 % Т а б л и ц а 4 – Виды песчаного грунта по показателю максимальной неоднородности Вид песчаного грунта Показатель максимальной неоднородности Однородный Среднеоднородный Неоднородный Повышенной неоднородности Umax < 4 4 ≤ Umax ≤ 20 20 < Umax ≤ 40 Umax > 40 Литература: [l; 2; 3, 6, 10]. Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЧАСТИЦ ГРУНТА Цель работы. Ознакомиться с методикой и аппаратурой, применяемыми при определении плотности частиц грунта; научиться самостоятельно определять ее. Краткие сведения из теории Плотность частиц грунта является одной из основных фазовых характеристик грунта. Плотность частиц грунта равна отношению массы частиц образца грунта, высушенного при 100–105 °С до постоянной массы, к их объему: 13 s mск , Vск где mск – масса частиц в образце грунта, г; Vск – объем этих частиц, см3. Определение плотности производится пикнометрическим способом. Пикнометр – мерная колба, вмещающая определенный объем воды при 20 С. Уровень, соответствующий этому объему, отмечен на горле колбы кольцевой риской. Для определения плотности незасоленных грунтов применяют дистиллированную воду, в случае засоленных грунтов (солончаки, грунты с видимыми выцветами солей и т. п.) – керосин. Керосин должен быть обезвожен и профильтрован, а его плотность определена заранее с помощью ареометра. Взвешивание должно производиться с точностью до 0,01 г. Для каждого образца производятся два параллельных определения плотности частиц. Расхождение между результатами этих определений более чем на 0,02 г/см3 не допускается. За плотность частиц грунта принимают среднее арифметическое результатов параллельных определений. Приборы и оборудование Технические весы, пикнометр, фарфоровая ступка с пестиком, сито с отверстиями 2 мм, электроплитка с песчаной баней, термометр, сушильный шкаф, эксикатор. Порядок выполнения работы 1 Образец грунта в воздушно-сухом состоянии размельчают в фарфоровой ступке фарфоровым пестиком, отбирают из размельчённого грунта методом квадратов среднюю пробу массой примерно 100–200 г и просеивают её сквозь сито с сеткой № 2. Остаток на сите дробят в ступке и вновь просеивают. 2 Из средней пробы берут навеску для определения плотности частиц грунта из расчета примерно 15 г на каждые 100 мл вместимости пикнометра. 3 Из той же средней пробы одновременно со взятием навески для определения плотности частиц грунта берут две навески для определения количества гигроскопической воды. Можно определять плотность частиц грунта не учитывая гигроскопическую воду, для чего средняя проба грунта должна быть высушена 14 при 100–105 С до постоянной массы и помещена в эксикатор с хлористым кальцием. В обязательном порядке высушивают пробы засоленных грунтов. 4 Взвешивают пустой сухой пикнометр. 5 В пикнометр с помощью воронки переносят взятую навеску грунта, пикнометр с грунтом взвешивают. 6 В пикнометр наливают дистиллированную воду на 1/3 его вместимости. 7 Взбалтывают суспензию в пикнометре и кипятят на песчаной бане, не допуская разбрызгивания; в случае образования обильной пены при закипании температуру песчаной бани снижают. Кипячение производят в течение 30 мин (считая с момента закипания) для песков и супесей, в течение 1 ч – для суглинков и глин. Кипячение необходимо для удаления воздуха из пор грунта и из воды, оно может быть заменено вакуумированием суспензии, 8 Пикнометр доливают до мерной черты кипячённой в течение одного часа дистиллированной водой и охлаждают его с суспензией до комнатной температуры в ванне с водой; температуру суспензии в пикнометре замеряют с точностью до 0,5 °С. 9 Положение мениска поправляют путём добавления в пикнометр по каплям кипячёной дистиллированной воды такой же температуры, как у суспензии в пикнометре. Тщательно вытирают пикнометр снаружи; в пикнометре с мерной чертой протирают шейку внутри до мерной черты с помощью куска фильтровальной бумаги, свернутого в трубку, после чего пикнометр с суспензией взвешивают. 10 Выливают из пикнометра суспензию, тщательно ополаскивают его, наливают в него до мерной черты кипячёную дистиллированную воду и охлаждают в ванне с водой до температуры суспензии. Выполняют операции, указанные в п. 9, и взвешивают пикнометр с водой. Результаты взвешиваний заносят в журнал лабораторных работ и вычисляют плотность частиц грунта. При определении плотности частиц засоленных грунтов дистиллированную воду заменяют керосином, а кипячение – вакуумированием. При этом степень разрежения определяется началом выделения пузырьков воздуха, а продолжительность – прекращением выделения воздуха, но не менее 1 часа. Плотность частиц грунта вычисляют по формуле, приведенной в журнале, вместо w берут ρ керосина. Литература: [1; 2, с. 16–22; 9]. 15 Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ, ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА И РАСЧЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Цель работы. Ознакомиться с методикой и аппаратурой, применяемыми при определении плотности и влажности грунта; научиться определять эти характеристики; научиться определять расчетные характеристики грунта. Краткие сведения из теории Плотность грунта. Под плотностью образца грунта понимают массу единицы его объема. Плотность грунта с естественной влажностью mгр Vгр , где mгр – масса образца грунта при естественной влажности, г; Vгр – объем образца грунта, см3. Для определения плотности используют метод режущего кольца или метод парафинирования. Метод режущего кольца применяют для связных грунтов, легко поддающихся вырезке, а также для сыпучих в тех случаях, когда объем и форма отбираемого образца могут быть сохранены только при помощи жесткой тары. Метод парафинирования применяют для связных грунтов, трудно поддающихся вырезке или склонных к крошению. Плотность песчаного грунта ненарушенного сложения и природной влажности определяют на месте отбора образца методом режущего кольца. Для каждой разности грунтов количество параллельных определений должно быть достаточным для статистической обработки (обычно не менее 6). За нормативное значение плотности образца грунта принимают среднее арифметическое из параллельных определений. Все взвешивания должны выполняться с точностью до 0,01 г. 16 Весовая влажность грунта. Влажностью образца грунта называется содержание в нем воды, удаляемой высушиванием при температуре 100–105 °С до постоянной массы, отнесенное к этой массе и выраженное в процентах или в долях единицы. Взвешивание должно производиться с точностью до 0,01 г. Фазовые характеристики грунтов, определяемые расчетом. Расчетом определяются следующие характеристики грунтов: плотность сухого грунта ρd; пористость n; коэффициент пористости e; степень влажности Sr. Плотностью сухого грунта называется масса твердых частиц в единице объема грунта m d s , V где ms – масса твердых частиц, г; V – объем грунта, см3. Пористость – это объем пор в единице объема грунта, %, n Vп 100 % , V где Vп – объем пор, см3; V – объем грунта, см3. Коэффициентом пористости называется отношение объема пор к объему твердых частиц: V е п , Vs где Vп – объем пор, см3; Vs – объем твердых частиц, см3. Степень влажности или коэффициент водонасыщения – это отношение объема воды в порах грунта к объему пор: Sr Vw , Vп где Vw – объем воды, см3; Vп – объем пор, см3. Указанные характеристики определяются по формулам, приведенным в таблице 1. 17 Т а б л и ц а 1 – Формулы для определения расчетных характеристик Наименование характеристики Расчетная формула ρd Плотность грунта в сухом состоянии, г/см3 ρ 1 w d n s 100 s Пористость, % d s e s 1 d d Коэффициент пористости Sr Степень влажности ws ew Примечание – Здесь и далее значение плотности воды ρw следует принимать равным единице. В зависимости от значения степени влажности песчаные грунты классифицируют в соответствии с таблицей 2. Т а б л и ц а 2 – Разновидности песчаных грунтов по степени влажности Значение степени влажности Разновидность грунта 0 < Sr ≤ 0,5 Маловлажный 0,5 < Sr ≤ 0,8 Влажный 0,8 < Sr ≤ 1 Водонасыщенный Порядок выполнения работы Плотность грунта 1 Определяют внутренний объём кольца и взвешивают его. 2 Выравнивают поверхность грунта ножом и ставят на него острым краем кольцо. Придерживая кольцо рукой, вырезают ниже кольца столбик грунта диаметром несколько большим диаметра кольца. Затем слегка нажимают на кольцо, насаживая его на столбик грунта и не допуская при этом перекосов кольца. Эти операции поочередно продолжают до тех пор, пока кольцо не будет заполнено грунтом. В песчаные грунты, из которых не удаётся вырезать столбик, кольцо вдавливается. 18 3 Срезают избыток грунта над кольцом, выравнивают поверхность грунта вровень с краями кольца и накрывают его пластинкой. 4 Подрезают столбик грунта на расстоянии 10 мм ниже уровня края кольца; если в песчаный грунт кольцо вдавливалось, обкапывают грунт вокруг кольца и подрезают снизу лопатой. 5 Переворачивают образец и зачищают поверхность грунта с другой стороны. Накрывают кольцо другой пластинкой. 6 Взвешивают кольцо с образцом грунта и покрывающими его пластинками. Покровные пластинки должны быть предварительно взвешены. Если образец удерживается в кольце плотно, то взвешивание можно производить без покровных пластинок. 7 Определяют влажность грунта в кольце. Результаты взвешиваний заносят в журнал лабораторных работ и вычисляют плотность грунта. Весовая влажность 1 Взвешивают бюкс. 2 Во взвешенный бюкс помещают пробу влажного грунта и взвешивают. Массу пробы принимают в зависимости от степени неоднородности грунта, но не менее 10 г. 3 Высушивают грунт при открытой крышке в сушильном шкафу при 100–105 °С до постоянной массы, т.е. до тех пор, пока разница между двумя последовательными взвешиваниями будет не более 0,02 г. Первичное высушивание глинистых грунтов ведут в течение пяти, а песчаных – трёх часов, повторное – соответственно в течение двух и одного часа. Бюкс с грунтом перед взвешиванием охлаждают в эксикаторе с хлористым кальцием. За результаты взвешивания принимают наименьшую массу бюкса с грунтом. Их заносят в журнал и вычисляют влажность. После определения основных фазовых характеристик определяют расчетные характеристики ρd, n, e, Sr. Результаты расчётов заносят в журнал лабораторных работ, Литература: [1; 2, с. 16 – 22; 6, 9]. 19 Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ВЛАЖНОСТЕЙ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ (ГРАНИЦ КОНСИСТЕНЦИИ) Цель работы. Ознакомиться с методикой и приборами, используемыми при определении пределов пластичности; научиться определять пределы пластичности и классифицировать глинистые грунты. Краткие сведения из теории Под пределами пластичности понимают такие влажности, при которых глинистый грунт переходит из одного состояния в другое. Различают верхний предел пластичности, или границу текучести wL – влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее или наоборот, %, и нижний предел пластичности, или границу раскатывания wр – влажность, при которой грунт переходит из полутвёрдого в пластичное состояние, %. Разность между границей текучести и границей раскатывания называется числом пластичности IР = wL – wр, %. По числу пластичности глинистые грунты классифицируются следующим образом: 1 ≤ Iр ≤ 7 – супесь; 7 < Iр ≤ 17 – суглинок; Iр > 17 – глина. Зная границу раскатывания, число пластичности и естественную влажность грунта w, определяют показатель консистенции (коэффициент консистенции) грунта по формуле IL = (w – wp)/Ip. Глинистые грунты по показателю консистенции IL именуются согласно таблице 1. Граница текучести Граница текучести характеризуется влажностью (в долях единицы) пасты, изготовленной из грунта и воды, при которой балансирный конус погружается в тесто под действием собственной массы за 5 с на глубину 10 мм. 20 Граница раскатывания Граница раскатывания грунта характеризуется влажностью (в долях единицы), при которой тесто, изготовленное из грунта и воды, раскатываемое в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на отдельные кусочки длиной 3–10 мм. Т а б л и ц а 1 – Наименование глинистых грунтов по IL Наименование грунта Показатель консистенции Супеси: твёрдые пластичные текучие Суглинки и глины: твёрдые полутвердые тугопластичные мягкопластичные текучепластичные текучие IL < 0 0 ≤ IL ≤ 1 IL > 1 IL < 0 0 ≤ IL ≤ 0,25 0,25 < IL ≤ 0,5 0,5 < IL ≤ 0,75 0,75 < IL ≤ 1,0 IL > 1,0 Приборы и оборудование Для определения границы текучести используются: 1) фарфоровая ступка и пестик с резиновым наконечником; 2) шпатель; 3) сито с размером ячеек 1 мм; 4) цилиндрическая формочка диаметром не менее 40 мм и высотой не менее 20 мм; 5) бюксы; 6) сушильный шкаф; 7) весы; 8) балансирный конус Васильева, основной частью которого (рисунок 1) является конус из нержавеющей стали с углом при вершине 30º и высотой 25 мм. На расстоянии 10 мм от вершины конуса нанесена круговая метка. Балансирное устройство состоит из двух металлических шаров и стального прутка, согнутого в полуокружность радиусом 85 мм и закрепленного в основании конуса. Для удобства работы конус имеет ручку, закрепленную в основании. Общая масса прибора должна составлять 76,0 г с точностью ± 0,2 г. Граница раскатывания. Для определения границы раскатывания применяют ту же аппаратуру, что и при определении границы текучести, за исключением балансирного конуса. 21 Паста 20 10 25 45 Круговая метка 85 Рисунок 1 – Балансирный конус Порядок выполнения работы Определение границы текучести 1 Образец грунта с естественной влажностью объемом около 50 см3 разминают шпателем или размельчают резиновым пестиком, после чего протирают или просеивают, в зависимости от влажности образца, через сито с отверстиями 1,0 мм. 2 Переносят грунт, прошедший сквозь сито, в стеклянный сосуд и увлажняют дистиллированной водой до состояния густого теста при одновременном перемешивании. Закрыв сосуд крышкой, грунт выдерживают не менее 2 часов. 3 Полученную пасту тщательно перемешивают и наполняют ею формочку. Поверхность грунта выравнивают шпателем вровень с краями формочки. В процессе укладки пасты следят, чтобы в ней не образовывались пустоты. 4 Подносят к поверхности пасты конус, смазанный тонким слоем вазелина, осторожно, не бросая, опускают и дают ему свободно погружаться в пасту в течение 5 с. 5 Погружение конуса за 5 с на глубину менее 10 мм показывает, что влажность пасты не достигла границы текучести. В этом случае ее извлекают из формочки, увлажняют, тщательно перемешивают и повторяют операции (пп. 3, 4). При погружении конуса на глубину более 10 мм пасту извлекают из формочки, кладут на стекло и перемешивают шпателем, давая ей немного подсохнуть. Затем повторяют операции (пп. 3, 4). 22 Погружение конуса в течение 5 с на глубину ровно 10 мм показывает, что граница текучести достигнута. 6 Отбирают из испытанной пасты пробу массой не менее 10 г и производят определение влажности (см. указания к лабораторной работе № 3). Для каждого образца грунта проводят не менее двух определений границы текучести. Расхождение значений весовой влажности более чем на 0,02 не допускается. За величину влажности на границе текучести принимают среднее арифметическое из двух определений, выраженное в долях единицы. 7 Результаты определений заносят в журнал лабораторных работ. Определение границы пластичности (раскатывания) 1 Производят подготовку образца грунта, как указано в пп. 1 и 2 предыдущего раздела данной работы. 2 Увлажненное грунтовое тесто тщательно перемешивают, берут из него небольшой кусочек и раскатывают ладонью на стеклянной пластинке до образования жгута диаметром около 3 мм. Если при этом жгут не крошится, его вновь переминают и раскатывают до указанного диаметра. Раскатывание ведут, слегка нажимая на жгут, длина которого не должна превышать ширину ладони. Искомая граница раскатывания считается достигнутой, если жгут диаметром около 3 мм начинает делиться поперечными трещинами на кусочки 3–10 мм. Если из увлажненного грунта при любой влажности невозможно раскатать жгут диаметром около 3 мм, считается, что грунт не имеет границы раскатывания. 3 Кусочки грунта собирают в заранее взвешенный бюкс с крышкой и определяют влажность (см. указания к лабораторной работе № 3). Для каждого образца грунта проводят не менее двух определений границы пластичности. Расхождение значений весовой влажности более чем на 0,02 не допускается. За величину влажности на границе пластичности принимают среднее арифметическое из двух определений, выраженное в долях единицы. 4 Результаты определений заносят в журнал лабораторных работ. По предварительно определенным границам текучести и пластичности находят число пластичности IP и показатель текучести IL и устанавливают тип грунта и его разновидность по таблице 4.2 [4]. Литература: [1; 2, с. 20–25; 3, 6, 9]. 23 Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА Цель работы. Ознакомиться с методикой определения коэффициента фильтрации глинистого грунта с помощью прибора ПФ-1. Краткие сведения из теории Водопроницаемостью грунтов называют способность их пропускать через себя воду. Численно водопроницаемость характеризуется так называемым коэффициентом фильтрации Кф. Коэффициент фильтрации представляет собой скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, v = КфI. Выражают коэффициент фильтрации обычно в см/с или м/сут. Коэффициент фильтрации используется при расчетах запасов подземных вод, определении притока воды в строительные котлованы и горные выработки, при расчете утечек воды из водохранилищ, проектировании дренажных сооружений и фильтров и при ряде других расчетов. Определяется коэффициент фильтрации в приборах типа ПФ, ПФ–1, ПВ, которые позволяют учитывать при проведении опыта внешнее давление на грунт, а также проводить опыты при постоянной пористости для набухающих грунтов. Коэффициент фильтрации в этом случае определится по формуле G Кф , FIT где F – площадь образца, см2; I – гидравлический градиент, равный отношению среднего действующего напора к длине пути фильтрации; Т – время фильтрации, с; G – расход воды, см3, G = S(H1–H2); S – площадь трубки, см2; (H1–H2) – изменение высоты водяного столба в трубке за время опыта, см. Описание прибора Прибор ПФ-1 состоит из следующих основных частей (рисунок 1): 1 – одометр, 2 – пьезометр, 3 – плита. 24 Одометр представляет собой герметичную камеру, состоящую из основания 4, обоймы 5, штампа 6 и крышки 7. Крышка 7 состоит: из корпуса крышки 13, двух кранов 14, рукоятки 15, штока 16 с полкой 17 для ножки индикатора. Основание, обойма и крышка скрепляются при помощи трех болтов 11, вставляемых в пазы кольца резьбовой частью, а крюками – в выточку основания. 19 2 17 15 11 12 16 1 7 6 20 18 13 14 5 9 8 4 10 3 Рисунок 1 – Фильтрационный прибор ПФ-1 Герметизация одометра достигается за счет уплотнительных колец, расположенных между основанием и обоймой, а также между обоймой и крышкой. Индикатор применяется при определении водопроницаемости грунтов при заданной нагрузке. Пьезометр 2 представляет собой панель, на которой смонтированы пьезотрубки разных сечений 19 и блоки кранов 20, которые посредством трубок соединяются с одометром. Техническая характеристика прибора: диапазон показаний шкал пьезотрубок – от 0 до 350 мм; цена деления шкал пьезотрубок – 1 мм. 25 Порядок выполнения работы 1 Собрать одометр в такой последовательности: а) надеть на обойму 5 с грунтом уплотнительные кольца; б) установить обойму в основание 4; в) на верхний торец обоймы положить штамп 6; г) установить крышку 7; д) надеть кольцо 18; е) установить болты 11; ж) затянуть гайки 12; з) завернуть рукоятку 15 до отказа; и) установить индикатор (в случае определения водопроницаемости под нагрузкой). 2 Закрыть все краны прибора (рисунок 2). Сосуд Пьезометр Пьезотрубка а б в а б в Одометр 1 4 5 6 8 9 10 3 2 7 Рисунок 2 – Гидравлическая схема прибора 3 Соединить шлангом кран 2 (см. рисунок 2) основания с сосудом, заполнить сосуд водой и измерить температуру воды. Сосуд с водой установить выше верхнего торца пьезометра. 4 Открыть краны 2, 7 и 8; при появлении воды в трубке пьезометра на отметке 0 закрыть кран 7. 5 Открыть кран 1 для удаления воздуха из одометра. Пузырьки воздуха удалить покачиванием одометра. После удаления воздуха закрыть кран 1. 26 6 Открыть краны 3 и 4, довести уровень в трубке до отметки 0. 7 Открыть кран 7 и довести уровень в трубке до отметки 35. 8 Закрыть краны 2 и 7. Прибор готов к работе. 9 Открыть кран 2 и отметить время начала фильтрации. 10 В процессе фильтрации отметить время прохождения уровнем отметок 30, 25, 20, что соответствует напорам 25, 15 и 5 см, т. к. при понижении уровня в трубке а’ уровень в трубке а будет подниматься на столько же (при падении уровня на 5 см напор изменяется на 10 см). 11 Закрыть все краны прибора. 12 Рассчитать время фильтрации при изменении напора от 35 до 25 см, от 25 до 15 см и от 15 до 5 см. Результаты занести в журнал. 13 Определить величину коэффициента фильтрации при фактической температуре воды. 14 Определить величину коэффициента фильтрации при температуре 10 ˚С по формуле КфактТ п 10 К10 , Т п факт где Кфакт – коэффициент фильтрации при фактической температуре воды; Тп 10 – температурная поправка для температуры 10 С, равная 1,359; Тп факт – температурная поправка для фактической температуры, определяемая по таблице 1. Т а б л и ц а 1 – Температурные поправки по Пуазейлю t, С Tп t, С Tп t, С Tп t, С Tп 1 2 3 4 5 1,041 1,066 1,099 1,134 1,171 6 7 8 9 10 1,211 1,247 1,281 1,318 1,359 11 12 13 14 15 1,401 1,435 1,483 1,521 1,561 16 17 18 19 20 1,603 1,648 1,695 1,728 1,762 При температуре воды более 20 С значение температурной поправки Пуазейля можно определить по формуле Т п 1 0,0337t 0,000221t 2 , где t – температура, для которой определяется поправка, С. 15 Все результаты занести в журнал лабораторных работ. Литература: [1]. 27 Лабораторная работа № 6 КОМПРЕССИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ Цель работы. Ознакомиться с методикой исследования грунтов на сжимаемость. Краткие сведения из теории Компрессией называется сжатие грунта при отсутствии бокового расширения, что моделирует поведение грунта при действии равномерно распределенной нагрузки по ограничивающей полупространство плоскости. Результаты компрессионных испытаний используются при расчётах деформаций основания и для определения деформационных характеристик грунтов – коэффициента сжимаемости т0 и модуля общей деформации Е. Испытание на компрессию осуществляется в компрессионных приборах (одометрах), основной частью которых является жёсткая металлическая обойма (кольцо), препятствующая поперечному расширению грунта. Нагрузка на грунт передаётся через поршень. Для того чтобы предохранить образец от высыхания, испытания его, как правило, производят под слоем жидкости. При этом возможны две различные методики испытаний: а) под слоем воды; б) под слоем масла. В первом случае образец может набухать, что существенно изменяет его свойства. Поэтому перед заливкой воды поршень прибора закрепляют, таким образом, чтобы исключить набухание образца. Если затем скомпенсировать возможное перемещение поршня вверх, вызванное набуханием образца, нагрузкой, приложенной к плечу рычага, то можно определить давление набухания. Во втором случае образец заливают машинным или вазелиновым маслом для того, чтобы исключить высыхание образца. Набухание при этом отсутствует. Деформации образца измеряют с помощью индикаторов с ценой деления 0,01 мм. Так как деформации при компрессии грунта протекают медленно, за условную стабилизацию деформации принимают величину сжатия грунта, не превышающую 0, 01 мм, для песчаных грунтов – за 30 мин, для супеси – за 3 часа, для суглинков и глин – за 12 часов. 28 При проведении лабораторной работы во время занятий стабилизация деформаций условно считается достигнутой при небольших скоростях деформаций. При этом может быть выявлен только приблизительный характер компрессионной кривой. Описание прибора Компрессионные испытания выполняются на приборе конструкции Знаменского (модель КП) или приборе модели КПр-1, состоящем из стола I с рычажным прессом (рисунок 1) и одометра II (рисунок 2). 13 12 14 II 11 15 10 9 8 16 7 3 6 2 5 1 4 I Рисунок 1 – Настольный компрессионный прибор КПр–1: I – стол; II – одометр, 1 – опорный винт; 2 – подвеска; 3 – траверса подвески; 4 – трос грузовой; 5 – сектор; 6 – палец; 7 – трос тяговый; 8 – винт натяжной; 9 – нижнее коромысло; 10 – маховичок; 11 – стяжка; 12 – шарик; 13 – верхнее коромысло; 14 – упор; 15 – рычаг; 16 – противовес 29 Техническая характеристика прибора: площадь поперечного сечения образца – 60 см2; высота образца – 25 мм; сжимающее давление на образец грунта – 0,006...1,0 МПа; соотношение плеч рычагов 1:10; точность измерения деформаций грунта – 0,01 мм. Порядок выполнения работы 1 Взвешивают режущее кольцо с точностью до 0,01 г и результат заносят в журнал. 2 Заостренным концом кольцо ставят на горизонтальную поверхность монолита грунта и медленно вдавливают его в грунт, одновременно обрезая грунт за внешней стороной кольца. Кольцо должно опускаться строго вертикально, без перекосов. 10 7 9 11 6 8 4 5 10 3 2 1 Рисунок 2 – Одометр: 1 – днище корпуса одометра; 2 – дно перфорированное; 3 – зажимное кольцо; 4 – стяжное кольцо; 5 – верхняя часть корпуса; 6 – штамп; 7 – арретир; 8 – стойка под индикатор; 9 – консоль индикатора; 10 – индикатор; 11 – стопорный винт 3 Кольцо вдавливают до появления над ним слоя грунта высотой 1,5–2 см, а затем, подрезая грунт снизу кольца, отделяют его с кольцом от монолита. 4 Осторожно зачищают лишний грунт так, чтобы образовались две плоскости, а объем грунта в кольце точно равнялся внутреннему объему кольца. 30 5 Одновременно с этим из остатков грунта берут пробы для определения влажности и плотности частиц грунта. 6 Кольцо с грунтом тщательно очищают от приставших частиц грунта, взвешивают с точностью до 0,01 г и результат заносят в журнал. 7 Пробу грунта закрыть тонкой фильтровальной бумагой. Кольцо с грунтом ставится на перфорированное дно 2. Вворачивается верхняя часть корпуса одометра 3 в днище 1. Вворачивается стяжное кольцо 4 таким образом, чтобы конусом оно прижало зажимное кольцо ко дну. Вставляется штамп 6 и закрывается арретиром 7. С целью создания герметичности резьба верхней части корпуса смазывается техническим вазелином или солидолом. 8 Одометр устанавливают на панели стола. 9 Устанавливают консоли 9 (см. рисунок 2) и индикаторы 10. Устанавливают индикаторы на нулевые показания. 10 Укладывают в углубление штампа шарик 12 (см. рисунок 1), опускают раму, передающую нагрузку, так, чтобы верхняя половина шарика заняла углубление упора 14. 11 Перед приложением нагрузки образец замачивается водой. Для этого выворачивается спускная пробка в днище одометра. В стеклянную трубку, соединенную с нижним отводом, осторожно вливается вода. Когда вода покажется в отверстии, вворачивается спускная пробка. Если при замачивании образца индикатор показывает некоторое набухание грунта, необходимо затянуть арретир. При испытании грунтов без замачивания образца водой поршень арретиром не закрепляют. 12 Прикладывают первую ступень давления 0,025 МПа, для чего на подвеску укладывается груз 1,26 кг, что компенсирует давление, создаваемое массой поршня, рамки, пружинами индикаторов. 13 После приложения нагрузки наблюдают за ходом деформации образца путем взятия отсчетов по индикаторам. Показания индикаторов и время их взятия записывают в журнал. 14 После достижения стабилизации деформации от данной ступени нагрузки к образцу прикладывают следующую ступень давления, равную 0,05 МПа. 15 Опыт проводится при ступенях давления 0,0; 0,025; 0,05; 0,1 МПа, затем производится декомпрессия (разгрузка) при ступенях давления 0,05; 0,025 и 0,0 МПа и повторная компрессия при ступенях 0,025; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа; конечные для каждой ступени нагрузки результаты заносят в журнал лабораторных работ. 31 16 После стабилизации деформации от каждой ступени нагрузки по полученным в ходе опыта данным вычисляют величины деформаций образца и соответствующие им коэффициенты пористости. 17 По результатам наблюдений строится компрессионная кривая в обычной или полулогарифмической системе координат, составляется уравнение компрессии. Для интервала давлений от 0,05 до 0,1 МПа определяются: – коэффициент сжимаемости m0 eн ек , рк рн – модуль общей деформации грунта Е β 1 е0 m0 , 2 где = 1 2ν ; ν – коэффициент Пуассона; для глинистых грунтов ν = 0,35. 1 ν Литература: [1; 2, с. 27-38, 6, 7] Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА СДВИГУ Цель работы. Ознакомиться с методикой испытаний грунтов на сдвиг. Краткие сведения из теории Сопротивление грунтов сдвигающим усилиям имеет важное значение при проектировании сооружений. Прочностные характеристики грунта – угол внутреннего трения и сцепление с, получаемые в процессе испытания на сдвиг, используются в расчетах прочности и устойчивости оснований, устойчивости откосов и подпорных стенок. Величины этих характеристик определяются в соответствии с законом Кулона, по которому сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления. Записывается закон Кулона уравнением 32 τ σtg с. Испытания проводятся при трех ступенях вертикальной нагрузки по методике быстрого сдвига или консолидированного сдвига. По результатам испытаний строят график сдвига (рисунок 1), определяют и с и составляют уравнение сдвига. 3 2 1 С 2 1 3 Рисунок 1 – График сдвига глинистого грунта Описание прибора Испытания грунта на прочность при сдвиге производят на приборе одноплоскостного сдвига (рисунок 2). Тип прибора – ПСГ–2М. Уплотнение образцов производят в приборе предварительного уплотнения, который позволяет одновременно уплотнять при различных нагрузках 12 образцов. Прибор ПСГ–2М состоит из следующих основных узлов: рабочего столика, срезывателя, загрузочного устройства, обеспечивающего передачу вертикального давления на образец грунта и механизма для передачи на образец горизонтального сдвигающего усилия. Прибор монтируется на металлическом столе, основными частями которого являются сварная станина 1 и панель 2. Горизонтальное положение панели стола достигается с помощью установочных винтов 3, расположенных в стойках стола. На панели смонтированы срезыватель 4 и кронштейны 5, на которых крепятся индикаторы для замера вертикальных 6 и горизонтальных 7 деформаций. Вертикальное усилие передаётся на образец механизмом, состоящим из ползуна 8, скользящего секторного рычага 9 и рамы 10. Рама имеет верхнее и нижнее коромысла, соединённые между собой тягами. В центре верхнего коромысла имеется винт 11, регулирующий положение штампа. 33 13 6 5 11 4 5 15 7 2 12 16 10 14 17 1 8 9 3 3 Рисунок 2 – Схема прибора ПСГ–2М В центре нижнего коромысла имеется регулировочный винт, соединённый с вилкой, которая шарнирно скреплена с оголовком троса ползучего рычага. На концах оси рычага имеется устройство, обеспечивающее очень малое трение при перемещении рычага. Рычаг уравновешивается противовесом. Механизм для создания сдвигающего усилия крепится на кронштейне 12. Рычаг механизма 13 имеет форму сектора. Уравновешивается он противовесом 14. На оси рычага укреплен эксцентричный тормозной диск. На малом плече рычага укреплён трос 15, соединённый со скобой срезы34 вателя 16. На вертикальной панели кронштейна укреплён тормоз 17. Срезыватепь 4 прибора помещён в специальном гнезде 18 ванны 19 (рисунок 3). Срезыватель состоит из двух обойм – верхней 20 и нижней 21. Верхняя обойма – подвижная, нижняя – неподвижная. Верхняя обойма имеет тягу 22 для приложения горизонтального усилия. Сверху и снизу образца 23 помещаются пористые вкладыши 24. На верхний пористый вкладыш опирается штамп 25. Ванна закрепляется на подвижной панели с помощью винта с маховиком 26. 25 22 27 23 23 20 24 21 19 18 26 Рисунок 3 – Срезывающее устройство прибора ПСГ-2М Техническая характеристика прибора: кратность рычагов горизонтального и вертикального усилий – 10; размеры кольца: диаметр – 71,4 мм, площадь – 40,0 см2, высота – 51,0 мм, объём – 204,0 см3; предельное давление на образец – 1,25 МПа. Порядок выполнения работы 1 Проверяют установку рабочего стола. Стол должен быть установлен строго по уровню и без качки. 2 Проверяют уравновешенность рычагов. При хорошей балансировке рычаги должны выходить из равновесия под влиянием груза массой не более 50 г. 35 3 Проверяют совмещение точки приложения горизонтального усилия с плоскостью сдвига. Для этого визируют по нижней плоскости верхней обоймы на кронштейн соединительной скобы. Точка приложения горизонтального усилия должна лежать в плоскости визирования или отклоняться от нее не более чем на 0,5 мм. 4 Проверяют горизонтальность соединительного троса горизонтального усилия. Для этого трос соединяют с одной стороны с рычагом, с другой – со скобой 27 тяги 22 и соединяют обоймы срезывателя. На подвеску кладут гирю массой 25–50 г и уровнем проверяют горизонтальность троса. В случае отклонения его от горизонтального положения производят регулировку, перемещая кронштейн 12. 5 Собирают срезыватель прибора. Для этого верхнюю обойму 20 ставят на нижнюю обойму 21. На дно нижней обоймы укладывают перфорированный вкладыш 24. 6 Образцы грунта нарушенной структуры (для производственных испытаний – ненарушенной) уплотняют в приборе предварительного уплотнения, после чего разъёмную гильзу (кольцо) извлекают вместе с уплотненным грунтом и переносят в верхнюю обойму сдвигового прибора. Образец грунта при быстром срезе должен быть прикрыт кружком промасленной кальки в 2–3 слоя для закрытия отверстий в поршне и нижнем диске. Перед зарядкой кольцо с грунтом взвешивают и определяют плотность грунта . 7 Разъемную гильзу вставляют в обоймы так, чтобы плоскости разъёма гильзы и обойм совпали. На образец поверх кружков промасленной кальки укладывают поршень и ставят на него штамп с рамой. 8 Нажатием на верхнее коромысло перемещают образец до соприкосновения его с нижним перфорированным диском. Укрепляют индикатор для измерения вертикальных деформаций. 9 Раму 10 загрузочного устройства соединяют со скользящим рычагом 9 и прикладывают вертикальную нагрузку. В случае испытания предварительно уплотнённого грунта проба обжимается в приборе в течение 15 мин. Груз, который необходимо положить на подвеску скользящего рычага, рассчитывается по формуле М 10А m , n где σ – заданное давление, МПа; А – площадь образца, см2; m – масса рамы, кг; n – передаточное число (кратность) рычага. 36 10 Устанавливают зазор между обоймами срезывателя путём вращения маховика 11 в верхней части коромысла. Величина зазора должна быть от 0,5 до 0,1 мм. Устанавливают индикатор для замера горизонтальных перемещений. 11 Зазоры, через которые может уходить отжимающаяся из грунта вода, обмазывают солидолом. 12 Освобождают тормоз рычага горизонтальной нагрузки. 13 На подвеску рычага укладывают гири для создания горизонтальной нагрузки. Ступени горизонтальной нагрузки прикладываются с интервалом 2–4 с. 14 Величина ступеней горизонтальной нагрузки принята для каждого опыта 5 % от вертикальной нагрузки. При вертикальном давлении 0,1 МПа ступень нагрузки на рычаг горизонтальной нагрузки составляет 0,1 кг, при 0,2 МПа – 0,4 кг и при 0,3 МПа – 0,6 кг. 15 Загрузку подвески срезывающего рычага прекращают тогда, когда наступают незатухающие деформации образца или горизонтальная деформация образца превысит 5 мм. 16 После среза образца снимают горизонтальную и вертикальную нагрузки и разбирают срезыватель. Извлекают разрушенный образец. 17 Подсчитывают горизонтальную нагрузку, при которой произошел срез. В журнал лабораторных работ записывают массу гирь за вычетом половины величины последней ступени нагрузки. 18 Прибор тщательно протирают и последовательно испытывают ещё два образца при вертикальных давлениях 0,2 и 0,3 МПа. 19 По полученным результатам строят график сдвига, определяют и с и записывают уравнение графика сдвига. Литература: [1, 7, 8] Лабораторная работа № 8 ИСПЫТАНИЕ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА НА КОНСОЛИДАЦИЮ Цель работы. Ознакомиться с методикой испытания глинистых грунтов на консолидацию. Краткие сведения из теории При увеличении внешнего давления на грунт происходит изменение его влажности вследствие оттока воды. Разность напоров между от37 дельными точками грунта выравнивается в течение большего или меньшего промежутка времени в зависимости от водопроницаемости грунта, причем в процессе выравнивания часть внешнего давления не будет передаваться на скелет грунта, а будет создавать давление в воде, вытекающей из пор грунта. Скорость уплотнения водонасыщенных грунтов определяется в основном скоростью выжимания воды из пор грунта. Поэтому процесс выравнивания гидродинамических давлений и затухания осадок во времени, базирующийся на уравнениях фильтрации, называется фильтрационной консолидацией. Теория фильтрационной консолидации определяет основную часть процесса протекания осадок во времени, сверх же этой части напоры в воде становятся близкими к нулю, осадки же еще продолжают нарастать. Это происходит потому, что одновременно с фильтрационной консолидацией возникает и консолидация вследствие ползучести скелета грунта, которая получила название вторичной или пластической консолидации. Результаты испытаний грунтов на консолидацию используются при расчете деформаций оснований во времени и для определения коэффициента фильтрационной консолидации СК. Испытания на консолидацию производятся в компрессионных приборах (одометрах), конструкция и порядок сборки которых подробно описан в лабораторной работе № 6 и поэтому в данной работе не приводится. Приборы и оборудование Компрессионный прибор КПр-1 (см. работу № 6). Порядок выполнения работы 1 Подготавливают образец и собирают прибор (см. пп. 1–10 лабораторной работы № 6). 2 Снимают отсчеты по индикаторам непосредственно перед приложением уплотняющего давления. 3 Прикладывают уплотняющее давление (в данной работе принято σ = 0,1 МПа). 4 Снимают отсчеты по индикаторам, считая с момента загружения, через: 6; 15; 30; 45 с, 1; 1,5; 2; 3; 5; 7; 10; 15; 20; 30; 45 мин, 1; 1,5; 2; 3; 4; 6; 9; 12; 24; 36; 48 часов и далее через каждые 24 часа. Результаты наблюдений заносят в журнал. 38 Ввиду нехватки времени продолжительность опыта в лабораторной работе ограничивается 60–70 минутами. 5 Для промежутка времени 0–10 мин строится кривая консолидации в системе координат S– t – график Тейлора (рисунок 1) и по ней определяется момент начала фильтрационной консолидации. Для этого на кривой находится относительно прямолинейный участок, касательная к которому продлевается до пересечения с осью осадок S. Точка их пересечения дает осадку, соответствующую моменту начала фильтрационной консолидации. 1 2 t Начало фильтрационной консолидации Рисунок 1 – График Тейлора 6 Для промежутка времени от 0,1 мин до конца опыта строится кривая консолидации в полулогарифмической системе координат S–t – график Казагранде (рисунок 2) и по ней определяется момент конца фильтрационной консолидации. Для этого в правой части кривой находится место перегиба, т.е. резкое уменьшение скорости развития осадок. Строятся касательные к кривой справа и слева. Из точки пересечения касательных проводится горизонтальная линия до пересечения с 39 осью осадок S. Точка их пересечения дает осадку, соответствующую моменту конца фильтрационной консолидации. 0,1 t 50 10,0 1,0 t, мин 100,0 Начало фильтрационной консолидации S50 Конец фильтрационной консолидации S, мм Рисунок 2 – График Казагранде 7 Определяем время, соответствующее 50 % фильтрационной консолидации t50. Для этого отмечаем на графике Казагранде осадку, соответствующую началу фильтрационной консолидации, находим середину участка между величинами S для начала и конца фильтрационной консолидации (S50) и по графику находим соответствующее ей время. 8 Определяем величину коэффициента фильтрационной консолидации Ск по формуле 40 Ск 0, 2h 2 , t50 где h – половина высоты образца в кольце (для двухсторонней фильтрации); t50 – время, соответствующее 50 % фильтрационной консолидации. 9 Рассчитываем время, необходимое для достижения 50 % фильтрационной консолидации слоя грунта заданной мощности. Результаты расчетов заносят в журнал. Литература: [2, 4, 6] Лабораторная работа № 9 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА НА СДВИГ Цель работы. Ознакомиться с формулами и методикой определения нормативных и расчетных характеристик по данным сдвиговых испытаний методами математической статистики Краткие сведения из теории В лабораторной работе № 7 по данным сдвиговых испытаний был построен график сдвига глинистого грунта. В соответствии с законом Кулона при достаточно большом количестве испытаний график сдвига представляет собой прямую линию. В то же время, любой эксперимент всегда имеет определенную погрешность, и точки на графике оказываются разбросанными около прямой. Проблема обработки результатов сводится к тому, как провести линию через такую группу точек (рисунок 1). Для этого используют метод наименьших квадратов, в соответствии с которым из числа всех возможных прямых выбирается та, сумма квадратов отклонений частных значений характеристик от которой будет минимальна. Обработка выполняется по специальным формулам, приспособленным для сдвиговых испытаний. 41 0,2 , МПа 0,1 0 0,2 0,1 , МПа 0,3 Рисунок 1 – График сдвига для серии опытов Порядок выполнения работы 1 Определяем нормативные значения характеристик сn и tgn по формулам сn k k k 1 k 2 τi i i i i ; i 1 i =1 i 1 i 1 k k k tgn k i i i i ; i 1 i 1 i 1 k k i 1 2 σi2 k i , i 1 где k – число определений величин τ. 2 Определяем величины средних квадратичных отклонений по формулам Sτ 1 k 2 σi tg n cn τi ; k 2 i 1 Sc S τ 1 k 2 σi ; i 1 Stg Sτ 42 k . 3 Принимая доверительную вероятность расчетных значений характеристик грунтов α при расчетах оснований по несущей способности – 0,95 и при расчетах по деформациям – 0,85, определяем коэффициент t по таблице 1. Т а б л и ц а 1 – Коэффициент tα для определения показателя точности оценки среднего значения характеристики грунта Число степеней свободы k-2 Коэффициент tα при односторонней доверительной вероятности , равной 0,85 0,90 0,95 0,98 0,99 2 1,34 1,89 2,92 4,87 6,96 3 1,25 1,64 2,35 3,45 4,54 4 1,19 1,53 2,13 3,02 3,75 5 1,16 1,48 2,01 2,74 3,36 6 1,13 1,44 1,94 2,63 3,14 7 1,12 1,41 1,90 2,54 3,00 8 1,11 1,40 1,86 2,49 2,90 9 1,10 1,38 1,83 2,44 2,82 10 1,10 1,37 1,81 2,40 2,76 4 Определяем коэффициенты вариации характеристик по формуле V S , Xn где S – среднее квадратичное отклонение характеристики (с или tg), Xn – ее нормативное значение. 5 Определяем показатели точности оценки среднего значения характеристик грунта по двум группам предельных состояний ρ= tV. 6 Определяем расчетные значения характеристик по первой группе предельных состояний сI и tgI и по второй группе предельных состояний сII и tgII по формуле X X n 1 . Данный расчет может быть легко реализован на ПК в любом языке программирования или табличном процессоре. Ниже приводится пример реализации данного алгоритма в табличном процессоре MS Excel: 43 Количество сдвигов в опыте N = 5 БелГУТ Шурф № 1 1 i 0,1 i 0,0600 ii 0,00600 i2 0,01 2 0,1 0,0575 0,00575 0,01 3 0,2 0,1150 0,02300 0,04 4 0,3 0,1500 0,04500 0,09 5 0,3 0,1875 0,05625 0,09 0,13600 0,24 Ni 6 7 8 9 10 11 12 1,0 0,5700 Нормативные значения характеристик Сn= 4,00 кПа 0,55 tg n= 28,8 градусов Угол трения n Расчетные значения характеристик: по первой группе предельных состояний: Удельное сцепление С I= Тангенс угла tg I= Угол внутреннего трения I= по второй группе предельных состояний: Удельное сцепление СII= Тангенс угла Угол внутреннего трения 0,00 кПа 0,36956 20,3 градусов 0,00 кПа 0,45402 24,4 градусов tg II= II= График сдвига , МПа 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 Литература: [5, 8]. 44 , МПа 0,3 Список литературы 1 Чаповский, Е. Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов / Е. Г. Чаповский. – М.: Недра, 1975. – 303 с. 2 Цытович, Н. А. Механика грунтов / Н. А. Цытович. – М.: Высшая школа, 1973. – 636 с. 3 СТБ 943–93. Грунты. Классификация. – Введ. 1994-07-01. – Мн.: Минстройархитектуры, 1995.– 18 с. 4 Тейлор, Дональд В. Основы механики грунтов / Тейлор Дональд В. – М.: Госстройиздат, 1960. – 598 с. 5 Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1978. – 376 с. 6 ГОСТ 30416–96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. – Введ. 1997-04-01. – Мн.: Минстройархитектуры, 1997. – 24 с. 7 ГОСТ 12248–96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. – Введ. 1997-04-01. – Мн.: Минстройархитектуры, 1997. – 72 с. 8 ГОСТ 20522–96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. – Введ. 1997-03-30. – Мн.: Минстройархитектуры, 1997. – 13 с. 9 ГОСТ 5180–84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. – Введ. 1985-07-01. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 24 с. 10 ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. – Введ. 1980-07-01. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 24 с. 45 Учебное издание ПИРОГОВСКИЙ Константин Николаевич Механика грунтов Лабораторный практикум Редактор О. В. З а н и н а Технический редактор В. Н. К у ч е р о в а Корректор Н. А. Д а ш к е в и ч Компьютерный набор и верстка К. Н. П и р о г о в с к о г о Подписано в печать 12.04.2007 г. Формат 60841/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 2,32. Тираж 500 экз. Зак. № . Изд. № 46 Издатель и полиграфическое исполнение Белорусский государственный университет транспорта: ЛИ № 02330/0133394 от 19.07.2004 г. ЛП № 02330/0148780 от 30.04.2004 г. 246653, г. Гомель, ул. Кирова, 34. 46 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» Кафедра «Строительные конструкции, основания и фундаменты» К. Н. ПИРОГОВСКИЙ МЕХАНИКА ГРУНТОВ Лабораторный практикум Гомель 2007 47
