Загрузил dima.kirsanov666

mekhanika gruntov 2018

Реклама
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ивановский государственный политехнический университет»
Кафедра геоинформационных систем и инженерных изысканий
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
Лабораторные работы
Учебное пособие
Иваново 2018
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ивановский государственный политехнический университет»
Кафедра геоинформационных систем и инженерных изысканий
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
Лабораторные работы
Учебное пособие
Иваново 2018
УДК 624.13 (075.8)
Механика
грунтов.
Лабораторные
работы:
Учебное
пособие
/
Р.М.Алоян, А.О.Рязанский. Иван. гос. политехн. ун-т. – Иваново, 2018. – 70 с.
В учебном пособии представлены современные методы и приборы для
определения основных показателей физических и механических свойств
природных дисперсных грунтов. Практическим указаниям по определению
показателей свойств и состояния грунтов предпослано краткое изложение
теоретических основ методов.
Пособие
предназначено
для
студентов,
изучающих
дисциплину
«Механика грунтов», а также может служить руководством для испытания
грунтов в строительных лабораториях.
© Алоян Р.М., Рязанский А.О., 2018
© ФГБОУ ВО «ИВГПУ», 2018
ВВЕДЕНИЕ
Грунт – это любые горные породы, почвы, осадки и техногенные
образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и
как часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной
деятельностью человека.
Механика грунтов с ее теоретической и экспериментальной базами
представляет собой во многих отношениях достаточно сложную дисциплину.
За длительное время существования грунтов происходило многократное
изменение природной обстановки: переотложение грунтов, уплотнение под
действием веса новых покровных отложений, разуплотнение или эрозия и т.п.
Поэтому свойства грунтов по сравнению с другими строительными
материалами более сложны. Грунты, как правило, представляют собой
трехфазную систему: в их состав входят твердое вещество, вода и воздух.
Поведение грунтов под нагрузкой зависит от свойств и относительного
содержания каждой из компонент в общем объеме грунта.
Трудности оценки грунтов как основания сооружений в условиях их
естественного ненарушенного залегания возникают из-за их неоднородности в
связи с изменением условий их формирования. Поэтому далеко не всегда
возможно получить достоверные показатели строительных свойств грунтов в
мощной их толще на основании испытаний незначительного числа образцов.
Для оценки поведения грунтового массива под действием нагрузок от
возводимых инженерных объектов необходимо знать физико-механические
свойства грунтов, слагающих даны массив. Последние получают на основе
лабораторных или натурных испытаний грунтов с дальнейшей интерпретацией,
учитывающей геологическое строение грунта.
Учебное пособие составлено в соответствии с учебной программой
курса «Механика грунтов» для направления «Строительство».
3
Целью лабораторных занятий является ознакомление студентов с
основными физико-механическими свойствами грунтов, а также обучение их
методам проведения испытаний, применяемых для получения характеристик,
используемых при расчетах оснований и фундаментов зданий и сооружений.
В учебном пособии описаны современные методы и приборы для
определения некоторых физических и механических свойств природных
дисперсных грунтов: гранулометрического состав, влажности, плотности
грунта
и
частиц
грунта,
пределов
пластичности,
водопроницаемости,
размокания, деформационных и прочностных свойств, угла внутреннего
трения. Перечень лабораторных работ подобран таким образом, чтобы научить
студента
определять
наиболее
значимые
показатели
свойств
грунтов,
характерных для Ивановской области. Также важно, что данные показатели
используются при проектировании оснований и фундаментов зданий и
сооружений.
Практическим указаниям по определению свойств грунтов предпослано
краткое изложение теоретических основ методов.
4
1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
1.1. Показатели физических свойств грунтов
Механика грунтов изучает состояние покоя или движение грунтового
массива под влиянием внешних, главным образом, механических воздействий.
Величины, характеризующие определенные свойства грунтов, называются
показателями или характеристиками. Показатели свойств грунтов позволяют
оценить поведение грунтов при действии на них внешних нагрузок и зависят от
строения и вещественного состава грунта.
Оценка грунта как физического тела производится с помощью ряда
физических показателей. Учитывая разнообразие состава, состояния и строения
грунтов,
оценка
их физических свойств может быть
произведена
с
применением значительного числа показателей.
Показатели физического состояния и свойств грунтов получают
лабораторными испытаниями. Для повышения точности определения свойств
грунтов исследования проводят на образцах-монолитах с ненарушенной
структурой. Однако крайне трудно отобрать для испытаний с большой глубины
из естественной толщи грунтов небольшие образцы без изменения их свойств.
При этом лабораторные испытания могут привести к не совсем точным
данным. Любое незначительное нарушение структуры в период до или после
отбора образцов из грунтовой толщи сильно влияет на величину показателей
физических свойств грунтов. В этом случае при имеющейся возможности
производят натурные испытания или вносят поправки, основанные на натурных
наблюдениях за поведением реальных сооружений.
Количественные значения одних показателей всегда определяются
опытами с образцами грунта и называются они исходными. Значения других
показателей определяют расчетом по значениям исходных показателей, и они
называются производными.
5
Некоторые из полученных показателей используются непосредственно в
расчетах оснований, грунтовых сооружений и фундаментов инженерных
объектов.
Совокупность
ряда
показателей
используется
лишь
для
классификации грунтов.
1.2. Классификация грунтов
Классификация грунтов выполняется с целью определения места
каждого конкретного грунта среди большого многообразия природных и
искусственных грунтов, а также установления ориентировочных показателей
их свойств, используемых в расчетах при возведении на них инженерных
объектов и выбора нормальных давлений на грунтовые основания при
назначении предварительных размеров фундаментов зданий и сооружений.
Создание общей классификации грунтов прошло длительную историю
через построение частных региональных и отраслевых классификаций. К
частным
классификациям
следует
отнести
классификацию
осадочных,
обломочных и песчаных грунтов по гранулометрическому составу; глинистых –
по числу пластичности; лессовых – по степени просадочности и др. К
отраслевым – классификацию грунтов для дорожного, гидротехнического
строительства. Общая классификация грунтов, охватывающая по возможности
все многообразие, должна базироваться на характеристиках, присущих всем
грунтам и быть связанной с их генезисом и генетическими преобразованиями.
В настоящее время общая классификация грунтов определена ГОСТ
25100-2011. Данная классификация распространяется на все грунты и
применяется при инженерно-геологических изысканиях, проектировании и
строительстве.
Согласно
ГОСТ
25100-2011
классификация
грунтов
включает
следующие таксонометрические единицы, выделяемые по группам признаков:
 класс (подкласс) – по природе структурных связей;
6
 тип (подтип) – по генезису;
 вид (подвид) – по вещественному, петрографическому или
литологическому составу;
 разновидности – по количественным показателям состава, строения,
состояния и свойств грунтов.
ГОСТ 25100-2011 выделяет следующие классы грунтов:
 класс
скальных
грунтов
структурными
–
грунты,
связями
обладающие
жесткими
(кристаллизационными
и
цементационными);
 класс дисперсных грунтов – грунты с физическими, физикохимическими
или
механическими
структурными
связями.
Классификация дисперсных грунтов приведена в таблице 1.
 класс мерзлых грунтов – грунты, обладающие криогенными
связями наряду с другими структурными связями.
Все
классы
грунтов
по
генезису
и
вещественному
подразделяются на типы, подтипы, виды, подвиды и разновидности.
7
составу
Таблица 1.1 Дисперсные грунты
Класс
Подкласс
Тип
Осадочные
Вулканогенноосадочные
Элювиальные
Несвязные
Дисперсные
Техногенные
Подтип
Флювиальные, ледниковые, эоловые,
склоновые и др.
Вулканогенно-осадочные, осадочновулканогенные, пирокластические
Образованные в результате выветривания:
физического, физико-химического,
химического, биологического
Техногенно измененные в условиях
естественного залегания природные
грунты
Техногенно перемещенные природные
грунты
Антропогенно образованные грунты
Флювиальные, ледниковые, эоловые,
склоновые и др.
Вид
Минеральные
Органо-минеральные
Минеральные
Минеральные и органоминеральные
Все виды техногенно
измененных природных
связных грунтов
Все виды техногенно
измененных природных
связных грунтов
Различные виды
антропогенных грунтов
Все подвиды техногенно
измененных природных связных
грунтов
Все подвиды техногенно
измененных природных связных
грунтов
Различные подвиды антропогенных
грунтов
Минеральные и органоминеральные
Все виды техногенно
измененных природных
несвязных грунтов
Все виды техногенно
измененных природных
несвязных грунтов
Различные виды
антропогенных грунтов
Минеральные
Органо-минеральные
Осадочные
Элювиальные
Связные
Техногенные
Озерно-болотные, болотные,
аллювиально-болотные и др.
Образованные в результате выветривания:
физического, физико-химического,
химического, биологического
Техногенно измененные в условиях
естественного залегания природные
грунты
Техногенно перемещенные природные
грунты
Антропогенно образованные грунты
Подвид
Крупнообломочные грунты, Пески
Заторфованные пески
Вулканогенно-обломочные грунты
Вулканические пески, пеплы
Крупнообломочные грунты и пески
обломочных и дисперсных зон
коры выветривания и почвы
Все подвиды техногенно
измененных природных несвязных
грунтов
Все подвиды техногенно
измененных природных несвязных
грунтов
Различные подвиды антропогенных
грунтов
Глинистые грунты
Илы, Сапропели, Заторфованные
глинистые грунты и др.
Торфы
Сапропели и др.
Глинистые грунты дисперсных зон
коры выветривания и почвы
Органические
1.3. Классификация песков
При выполнении лабораторных работ пески согласно ГОСТ 25100-2011
будем классифицировать:
Класс – дисперсные грунты;
Подкласс – несвязные;
Тип – осадочные;
Вид – минеральные;
Подвид – пески;
Разновидности:
А) по гранулометрическому составу;
Б) по коэффициенту пористости;
В) по коэффициенту водонасыщения.
Лабораторная работа №1
Определение разновидности песка по гранулометрическому составу
Гранулометрическим составом называется процентное содержание
первичных (не агрегированных) частиц различной крупности по фракциям,
выраженное по отношению их массы к общей массе грунта. Согласно ГОСТ
12536-2014 применяют следующие методы гранулометрического анализа
грунтов:
ситовой,
ареометрический,
пипеточный.
Для
определения
гранулометрического состава песков применяют ситовой метод.
1.3.1. Определение гранулометрического (зернового) состава песков
ситовым методом
Необходимое оборудование:
сита размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм;
весы лабораторные; весы технические с погрешностью взвешивания не
более 0,1%; ступка фарфоровая; пестик с резиновым наконечником; чашка
фарфоровая; груша резиновая; кисточка; песчаная баня; шкаф сушильный.
Ситовой метод определения гранулометрического состава состоит в
разделении частиц грунта по крупности путем просеивания его через набор сит
с отверстиями разного диаметра (рис. 1.1.), установленных в колонку в порядке
убывания отверстий. Остатки на ситах после просеивания взвешивают и
определяют их процентное содержание по отношению к первоначально взятой
пробе.
Рис. 1.1. Набор сит
При выделении частиц крупностью от 10 до 0,5 мм гранулометрический
состав определяется ситовым методом без промывки водой; при выделении
частиц крупностью от 10 до 0,1 мм – с промывкой водой (обычно для
глинистых песков).
Образец грунта растирают в фарфоровой ступке пестиком с резиновым
наконечником для разрушения имеющихся в грунте комков.
10
Среднюю пробу для ситового анализ отбирают методом квартования [4].
Минимальная масса средней пробы принимается для гравия (дресвы) – 2000 г.;
грунта, содержащего песчаные частицы – 100 г.; грунта, содержащего
пылеватые и глинистые частицы – 50 г.
Если в образце нет крупных частиц, просеивание сквозь сито с
размерами отверстий 2 мм и более не проводят.
Сита монтируют в колонку, размещая их от поддона в порядке
увеличения размера отверстий. На верхнее сито надевают крышку. Отобранную
пробу переносят на верхнее сито, закрывают крышкой и просеивают с
помощью легких боковых ударов ладонями рук до полной сортировки грунта.
При просеивании пробы массой более 1000 г грунт следует высыпать в верхнее
сито в два приема. Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, высыпают,
начиная с верхнего сита, в ступку и дополнительно растирают пестиком с
резиновым наконечником, после чего просеивают на тех же ситах.
Полноту просеивания фракций грунта проверяют встряхиванием
каждого сита над листом бумаги. Если при этом на лист выпадают частицы, то
их высыпают на следующее сито; просев продолжают до тех пор, пока частицы
не перестанут выпадать на бумагу.
Фракции грунта, задержавшиеся после просеивания на каждом сите и
прошедшие в поддон, необходимо взвесить и суммировать массы всех фракций
грунта. Если полученная сумма масс всех фракций грунта превышает более чем
на 1% массу взятой для анализа пробы, то анализ следует повторить. Потерю
грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропорционально их массе.
Содержание в грунте каждой фракции А,%, вычисляют по формуле
А
gф
g1
 100 ,
(1.1)
где g ф – масса данной фракции грунта, г;
g1 – масса средней пробы грунта, взятой для анализа, г.
11
Результаты анализа регистрируют в журнале (табл. 1.2) и производят
необходимые расчеты.
Таблица 1.2
Журнал лабораторного определения гранулометрического состава песков
Отдельные фракции
Размер
Размер
отверстий,
Остаток
фракций на
мм
на сите, г
ситах, мм
Совокупность фракций
Содержание,
%
Диаметр
частиц, мм
Содержание,
%
4
5
6
1
2
3
2
>2
>2
0,5
2  0,5
>0,5
0,25
0,5  0,25
>0,25
0,1
0,25  0,1
>0,1
поддон
<0,1
-
-
По полученным суммарным остаткам грунта (колонка 6 таблицы 1.2)
согласно
ГОСТ
25100-2011
пески
по
гранулометрическому
составу
подразделяют согласно таблицы 1.3.
Таблица 1.3
Разновидность песков по гранулометрическому составу
Разновидность песков
1
Размер частиц,
d, мм
2
Содержание частиц,
% по массе
3
Гравелистый
>2
> 25
Крупный
> 0,5
> 50
Средней крупности
> 0,25
> 50
Мелкий
> 0,1
 75
Пылеватый
> 0,1
< 75
12
1.3.2. Определение гранулометрического (зернового) состава грунтов
ареометрическим методом
Определение
гранулометрического
(зернового)
состава
грунтов
ареометрическим методом производят путем измерения плотности суспензии
ареометром в процессе её отстаивания в соответствии с требованиями ГОСТ
12536-2014.
Необходимое оборудование:
Ареометр со шкалой 0,995-1-1,030 и ценой деления 0,001; сита размером
отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм; весы; ступка и пест фарфоровые; пестик
с резиновым наконечником; чашка фарфоровая; эксикатор с силикатиндикатором; шкаф сушильный; колба коническая плоскодонная вместимостью
500 см3; воронки диаметром порядка 4 и 14 см; цилиндр мерный вместимостью
1 л и диаметром (60  2) мм; термометр с погрешностью до 0,5оС; мешалка для
взбалтывания суспензии; секундомер; промывалка; пипетка на 25 мл; обратный
холодильник;
25%-ний
раствор
аммиака;
4%-ный
или
6,7%-ный
пирофосфорнокислый натрий; песчаная баня.
Ареометр (рис. 1.2) представляет собой запаянную стеклянную трубку с
расширенным нижним концом, который называется «луковицей». В нижнем
конце луковицы находится груз – дробь, залитая мастикой, для того, чтобы
опущенный в жидкость ареометр плавал в вертикальном положении. Верхняя,
более узкая, часть ареометра называется «стержнем». Внутри стержня
помещена шкала с нанесенными на ней значениями плотности. Шкала
рассчитана на плотность жидкости от 0,995 до 1,030, деления нанесены с
точностью до 0,001. Отмечая на шкале глубину погружения ареометра, тем
самым определяют плотность жидкости.
13
Рис. 1.2. Ареометры
Принцип работы ареометра основан на законе Архимеда: всякое
погруженное в жидкость тело теряет в своем весе столько, сколько весит
жидкость, вытесненная им. При постоянном объеме тела, погруженного в
жидкость, более тяжелой жидкости будет вытеснено меньше, а легкой –
больше. Поэтому в легкую жидкость тело будет погружено на большую
глубину, а в тяжелую – на меньшую. Следовательно, чем больше будет
концентрация суспензии, тем больше будет ее плотность и тем меньше глубина,
на которую будет погружаться ареометр. При отстаивании суспензии частицы
грунта оседают на дно сосуда, и плотность суспензии уменьшается. Поэтому
ареометр по мере оседания частиц постепенно погружается.
Калибровка ареометра
Определение поправки на нулевое показание ареометра.
Ареометр опускают в мерный цилиндр с дистиллированной водой
температурой 20 оС и проводят отсчет плотности воды. Полученный ответ
принимают за единицу плотности. Разность между принятой единицей и
замеренным отсчетом по ареометру равна поправке, которую вводят в расчет.
Поправку прибавляют к каждому отсчету по шкале ареометра, если ареометр
14
при проверке показывает менее 1,000, и вычитают, если ареометр показывает
более 1,000.
Определение поправки на высоту мениска.
Поправку на высоту мениска водят в расчет, если ареометр градуирован
на заводе по нижнему краю мениска. Для этого ареометр опускают в цилиндр с
дистиллированной водой температурой 20 оС. Проводят отсчеты по нижнему и
верхнему краям мениска. Разница между замеренными отсчетами и будет
поправкой на высоту мениска. Поправку прибавляют к каждому отсчету по
шкале ареометра при измерении плотности суспензии. Если ареометр
градуирован по верхнему краю мениска, то поправка не требуется.
Определение поправки на диспергатор.
Ареометр опускают в мерный цилиндр с налитой дистиллированной
водой (950 см3) температурой 20 оС и проводят отсчет по верхнему краю
мениска. Добавляют в цилиндр диспергирующее вещество. Затем доливают
цилиндр водой до 1 л, смесь взбалтывают, вторично опускают в нее ареометр и
проводят отсчет по верхнему краю мениска. Разность между вторым и первым
отсчетами будет поправкой на диспергатор. Поправку вычитают из каждого
отсчета по шкале ареометра при замерах плотности суспензии.
Подготовка к испытанию
Доводя грунт до воздушно-сухого состояния, растирают комки в
фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником. Навеску грунта
просеивают через набор сит с размером отверстий 10; 5; 2; 1 мм. Отбирают
методом квартования [4] среднюю пробу из грунта, прошедшего через сито с
размером отверстий 1 мм, и взвешивают ее. Масса средней пробы грунта
должна быть около 30 г. Одновременно с взятием средней пробы для
определения гранулометрического состава отбирают пробы грунта массой не
менее 15 г каждая для определения гигроскопической или природной
влажности и плотности частиц грунта [6].
15
В колбу емкостью 500 см3 переносят навеску грунта, доливают 200 см3
дистиллированной воды, добавляют в получившуюся суспензию 1 см3 25%ного раствора аммиака. Колбу следует закрыть пробкой с обратным
холодильником или воронкой диаметром 4–5 см и кипятить суспензию в
течение 30 минут – для супесей (песков) и 1 ч – для суглинков, глин (кипячение
не должно быть бурным). После кипячения необходимо охладить суспензию до
комнатной температуры.
Охлажденную до комнатной температуры суспензию необходимо слить
в стеклянный цилиндр вместимостью 1 л сквозь сито с размером отверстий
0,1 мм, помещенной в воронку диаметром приблизительно 14 см. Оставшиеся
на внутренней поверхности колбы частицы грунта следует тщательно смыть
дистиллированной водой из промывалки на поверхность сита. Во избежание
коагуляции (слипания частиц) в грунтовую суспензию в качестве стабилизатора
добавляется 5 см3 4%-ного или 6,7%-ного пирофосфорнокислого натрия.
Задержавшиеся на сите частицы и агрегаты грунта смывают струей воды
в фарфоровую чашку, где их тщательно растирают пестиком с резиновым
наконечником
или
пальцем
в
тонком
резиновом
чехле.
Сливают
образовавшуюся в чашке взвесь в цилиндр сквозь сито размером отверстий
0,1 мм. Растирание осадка в чашке и сливание взвеси сквозь сито в цилиндр
следует продолжить до полного осветления воды над частицами, оставшимися
на дне чашки. Уровень воды в цилиндре не должен превышать отметку
1000 см3.
Частицы грунта, задержавшиеся на сите, тщательно смывают водой из
промывалки в фарфоровую чашку, выпаривают на песчаной бане, высушивают
в сушильном шкафу при (105  5) оС. Если грунт органический, сушку проводят
при температуре (70  5) оС до постоянной массы.
Высушенные до постоянной массы частицы грунта просеивают сквозь
сита размером отверстий 0,5; 0,25; и 0,1 мм. Фракции грунта, задержавшиеся на
ситах, взвешивают.
16
Частицы грунта, прошедшие сквозь сито размером отверстий 0,1 мм,
следует перенести в цилиндр с суспензией. Суспензию в мерном цилиндре
доводят до объема 1000 см3.
Проведение испытания
Суспензию взбалтывают мешалкой в течение 1 мин на всю глубину до
полного взмучивания осадка со дна цилиндра, не допуская выплескивания
суспензии и вспенивания.
Определяют по таблице 1.4 время взятия отсчета по ареометру после
окончания взбалтывания суспензии. Затем за 10-12 с
до замера плотности
суспензии следует осторожно опустить в нее ареометр, который должен
свободно плавать, не касаясь стенок и дна цилиндра, и взять отсчет по
ареометру R. Продолжительность взятия отсчета должна быть не более 10 с.
Таблица 1.4
Время взятия отсчета по ареометру
Диаметр фракций зерен грунта, мм
Время от конца взбалтывания
суспензии до замера ее плотности
Менее 0,05
1 мин
Менее 0,01
30 мин
Менее 0,002
11 ч
Для удобства работы с ареометром и расчетов следует брать
упрощенные отсчеты, т.е. в отсчете плотности суспензии на шкале ареометра
отбросить единицу и перенести запятую на три знака вправо; в этом случае
тысячные деления будут представлять собой целые числа, а десятитысячные,
которые берут на глаз, – десятые.
Контроль за температурой суспензии необходимо осуществлять замером
температуры с погрешностью до 0,5 оС в течение первых 5 мин (до начала
17
опыта) и затем после каждого замера плотности суспензии ареометром. При
температуре, отличающейся от 20 оС, к отсчетам по ареометру следует внести
температурную поправку, определяемую по таблице 1.5.
Таблица 1.5
Поправки к отсчету по ареометру
Температура
суспензии, оС
Поправки к
отсчету по
ареометру R
Температура
суспензии, оС
Поправки к
отсчету по
ареометру R
Температура
суспензии,
о
С
Поправки к
отсчету по
ареометру R
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
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
Обработка результатов
Процентное содержание фракций грунта размером более 10; 10−5; 5−2;
2−1 мм следует вычислять по формуле (1.1).
Массу абсолютно сухой средней пробы грунта g o , г, вычисляют с
учетом поправки на гигроскопическую влажность при анализе воздушно-сухих
образцов:
go 
g1
,
1  0,01  W
(1.2)
где g1 − масса средней пробы грунта в воздушно-сухом состоянии (или
природной влажности), г;
18
W – гигроскопическая (или природная) влажность, %.
Содержание фракций грунта размером 2−0,5; 0,5−0,25; 0,25−0,1 мм X,%,
вычисляют по формуле:
X 
gn
 (100  K )
go
(1.3)
где g n − масса данной фракции грунта, высушенной до постоянной
массы, г;
go
− масса абсолютно сухой средней пробы грунта (взятой для
ареометра), г;
K – суммарное содержание фракции грунта размером более 1,0 мм, %.
По
данным
каждого
замера
ареометром
вычисляют суммарное
содержание всех фракций грунта менее данного диаметра грунта X (<0,05;
<0,01; <0,002 мм), %, по формуле:
X 
 s  Rn
 (100  K )
( s   w )  go
(1.4)
где Rn – показания ареометра с поправками;
3
 s − плотность частиц грунта, г/см ;
3
 w − плотность воды, равная 1 г/см ;
g o − масса абсолютно сухой средней пробы грунта, г;
K – суммарное содержание фракции грунта размером более 1,0 мм, %.
Определив суммарное процентное содержание фракций грунта с
помощью ареометра, вычисляют процентное содержание каждой фракции
грунта. Содержание фракции от 0,05 до 0,01 мм вычисляют по разности между
процентным содержанием фракций менее 0,05 мм и менее 0,01 мм. Аналогично
вычисляют процентное содержание фракции грунта 0,01−0,002 мм. Содержание
фракции 0,1−0,05 мм находят вычитанием суммарного содержания всех
остальных фракций из 100%. Результаты анализа регистрируют в журнале
(табл. 1.6).
19
Таблица 1.6
Упрощенный отсчет по ареометру без
поправок
Температура суспензии, оС
Температурная поправка к отсчету по
ареометру
Упрощенный отсчет с поправкой на
стабилизатор и нулевое показание
ареометра
Окончательный отсчет по ареометру
Содержание частиц, мм
2
3
4
5
6
7
8
Содержание,
%
Время отстаивания суспензии от начала
опыта
1
Фракции, мм
Время замера
Журнал результатов ареометрического анализа
Более 10
10 − 5
5–2
2–1
1 – 0,5
0,5 – 0,25
0,25 – 0,1
0,1 – 0,05
0,05 – 0,01
0,01 – 0,002
Менее 0,002
Сумма
9
10
1 мин
30 мин
11 ч
Ареометр № _______; Колба № ______; Объем цилиндра 1000 мл;
Поправка на стабилизатор, нулевое показание ареометра ________;
Проба воздушно-сухой или природной влажности ______ г;
Гигроскопическая или природная влажность ________ %;
Плотность частиц грунта _______ г/см3;
1.3.3. Графическое изображение гранулометрического состава
Наиболее
распространенным
графиком
представления
гранулометрического состава является суммарная кривая гранулометрического
состава, построенная в полулогарифмическом масштабе. По оси абсцисс
откладывают не размеры частиц, как это делается при простом масштабе, а их
логарифмы или величины, пропорциональные их логарифмам. Для построения
20
шкалы по оси абсцисс удобнее взять длину отрезка, соответствующую lg10.
Приняв, что lg10=1 соответствует произвольному отрезку, откладывают этот
отрезок вправо, поставив в начале координат число 0,001. Тогда конец первого
отрезка будет соответствовать 0,01, второго − 0,1, третьего – 1,0 и четвертого –
10,0. Каждый отрезок делят на 9 частей пропорционально логарифмам 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8, 9.
Если принять, что lg10=1 соответствует отрезку 4 см, то:
lg2=0,301 соответствует отрезку 0,301∙4=1,2 см;
lg3=0,477 соответствует отрезку 0,477∙4=1,9 см;
lg4=0,602 соответствует отрезку 0,602∙4=2,4 см;
lg5=0,699 соответствует отрезку 0,699∙4=2,8 см;
lg6=0,778 соответствует отрезку 0,778∙4=3,1 см;
lg7=0,845 соответствует отрезку 0,845∙4=3,4 см;
lg8=0,903 соответствует отрезку 0,903∙4=3,6 см;
lg9=0,954 соответствует отрезку 0,954∙4=3,8 см.
Откладывая длину вычисленных отрезков от начала координат и от
каждой граничной точки, получают, что в первом интервале выделенные
отрезки будут соответствовать размерам частиц 0,001  0,009 мм; во втором
0,01  0,09 мм; в третьем 0,1  0,9 мм и четвертом 1  10 мм.
Для построения кривой гранулометрического состава (рис. 1.3) делают
пересчет фракций по их совокупности (табл. 1.7).
Таблица 1.7
Гранулометрический состав грунтов по совокупности фракций
Диаметр
частиц, мм
Содержание,
%
<10
<5
<2
<1
<0,5
21
<0,25
<0,1
<0,05
<0,01
<0,002
Рис. 1.3. Кривая гранулометрического состава
По оси абсцисс откладывают верхние пределы диапазона размеров в
полулогарифмическом масштабе; по оси ординат – процентное содержание их
по совокупности. Соединив точки плавной линией, получают кривую
гранулометрического состава в полулогарифмическом масштабе.
С помощью кривой гранулометрического состава легко сравнивать
различные
грунты
по
их
гранулометрическому
составу,
оценивать
неоднородность, подбирать состав смеси и т.д. Характер кривых показывает
степень однородности частиц, слагающих грунт: чем круче кривая, тем более
однороден грунт, и наоборот, если кривая пологая, то грунт неоднороден.
По
кривой
гранулометрического
состава
находят
действующий
(эффективный) диаметр и коэффициент неоднородности, характеризующие
гранулометрический состав грунта.
22
Под действующим или эффективным диаметром частиц d10 понимают
такой предельный размер частиц, меньше которого в грунте содержится 10%
частиц. Действующий диаметр находят следующим образом: из точки на оси
ординат, соответствующей 10%, проводят линию, параллельную оси абсцисс до
пересечения
с
кривой.
Из
полученной
на
кривой
точки
опускают
перпендикуляр на ось абсцисс. Полученная на оси абсцисс точка будет
соответствовать действующему или эффективному диаметру, обозначаемому
d10.
Неоднородность песка определяется коэффициентом неоднородности,
который равен отношению диаметра частиц, процентное содержание которых в
грунте меньше 60% (d60), к эффективному диаметру (d10).
Cu 
d 60
d10
(1.5)
Если Cu ≤ 3, то грунт считается однородным, и если Cu > 3 − грунт
неоднородный.
Лабораторная работа №2
Определение разновидности песков по коэффициенту пористости
и коэффициенту водонасыщения
Разновидность песков по коэффициенту пористости
Коэффициент пористости e определяется по формуле
e
 s  (1  w)
1

(1.6)
где  s − плотность частиц грунта, г/см3;
3
 − плотность грунта, г/см ;
w – природная (естественная) влажность грунта, д.е.
Плотность грунта, плотность частиц грунта и природная влажность
грунта определяются лабораторным путем.
23
1.3.4. Определение плотности грунта методом режущего кольца
Плотность грунта – масса единицы объема грунта [3]. Плотность грунта
ненарушенной
структуры
определяют
методом
режущего
кольца
в
соответствии с требованиями ГОСТ 5180-2015. Данный метод применяется для
грунтов, легко поддающихся вырезке или не сохраняющих свою форму без
кольца, например для песков ненарушенного сложения и с естественной
влажностью.
Необходимое оборудование: кольцо-пробоотборник; кольцо-насадка;
лабораторные весы; штангенциркуль; нож; винтовой пресс; пластинки с
гладкой поверхностью (из стекла, металла и т.д.); плоская лопатка; вазелин или
консистентная смазка.
Рис. 1.4. Комплект режущих колец для отбора проб грунта
Кольца-пробоотборники изготавливают из стали с антикоррозионным
покрытием или из других материалов, не уступающих по твердости и
коррозионной
стойкости.
Размеры
кольца-пробоотборника
соответствовать данным, приведенным в таблице 1.8.
24
должны
Таблица 1.8
Размеры кольца-пробоотборника
Размеры кольца-пробоотборника
Наименование и
состояние грунтов
Немерзлые глинистые
грунты
Немерзлые и
сыпучемерзлые
песчаные грунты
Мерзлые глинистые
грунты
Толщина
стенки,
мм
Диаметр
внутренний
d, мм
Высота h
Угол
заточки
наружного
режущего
края
1,5  2,0
≥ 50
0,8d ≥ h > 0,3d
≤ 30°
2,0  4,0
≥ 70
d ≥ h > 0,3d
≤ 30°
3,0  4,0
≥ 80
h=d
45°
При помощи штангенциркуля измеряют внутренний диаметр и высоту
режущего кольца с точностью 0,1 мм и вычисляют объем кольца с точностью
до 0,1 см3. Затем взвешивают режущее кольцо и пластинки с точностью до
0,01 г.
Кольцо-пробоотборник смазывают с внутренней стороны тонким слоем
вазелина или консистентной смазки. Зачищают и выравнивают верхнюю
плоскость грунта, устанавливают на ней режущий край кольца и винтовым
прессом или вручную через насадку слегка вдавливают кольцо в грунт,
фиксируя границу образца для испытаний. Затем грунт снаружи кольца
обрезают на глубину 5  10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик
диаметром на 1  2 мм больше наружного диметра кольца. Периодически, по
мере срезания грунта, легким нажимом пресса или насадки насаживают кольцо
на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт
подрезают на 8  10 мм ниже режущего края кольца и отделяют его. Грунт,
выступающий за края, срезают ножом, зачищают поверхность грунта вровень с
краями кольца и закрывают торцы пластинками.
25
При пластичном или сыпучем грунте кольцо плавно, без перекосов
вдавливают в него и удаляют грунт вокруг кольца. Затем зачищают
поверхность грунта, накрывают кольцо пластинкой и подхватывают его снизу
плоской лопаткой.
Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают.
Плотность грунта ρ, г/см3, вычисляют по формуле

m1  m0  m 2
V
(1.7)
где m1 – масса грунта с кольцом и пластинками, г;
m0 – масса кольца, г;
m2 – масса пластинок, г;
V – внутренний объем кольца, см3.
V 
 d2
h
4
(1.8)
где d – внутренний диаметр кольца, см;
h – высота кольца, см;
Определение плотности проводят для двух проб, отобранных из
исследуемого образца грунта. Допустимая разница результатов определения
плотности составляет для песчаных грунтов – 0,04 г/см3, для глинистых грунтов
– 0,03 г/см3. За окончательное значение плотности грунта принимают среднее
арифметическое из двух показателей. Результаты вычислений заносят в журнал
(табл. 1.9).
Таблица 1.9
Журнал определения плотности грунта методом режущего кольца
Масса, г
№
п/п
Лабораторный
номер образца
кольца с
грунтом и
пластинками,
m1
кольца,
m0
26
пластинок,
m2
грунта
Объем
грунта,
V, см3
Плотность
грунта, ρ,
г/см3
1.3.5. Определение плотности частиц грунта пикнометрическим методом
Плотность частиц грунта − масса единицы объема твердых (скелетных)
частиц грунта [3]. Она определяется как отношение массы частиц грунта к их
объему. Для лабораторного определения плотности частиц грунта используется
пикнометрический метод согласно требованиям ГОСТ 5180-2015.
Необходимое оборудование: пикнометры емкостью 100, 200 см3;
сушильный шкаф; лабораторные весы; металлические или стеклянные бюксы;
термометр; песчаная баня; дистиллированная вода; ступка с пестиком; сито с
отверстием 2 мм.
Рис. 1.5. Пикнометры для определения плотности частиц грунта
Образец грунта в воздушно-сухом состоянии размельчают в фарфоровой
ступке, обирают методом квартования среднюю пробу массой 100  200 г и
просеивают сквозь сито с сеткой 2 мм, остаток на сите растирают в ступке и
просеивают сквозь то же сито. Из перемешанной средней пробы берут навеску
27
грунта из расчета 15 г на каждые 100 мл емкости пикнометра и высушивают до
постоянной массы.
Пикнометр наполняют на 1/3 прокипяченной в течение 1 часа
дистиллированной водой, взвешивают. Затем через воронку всыпают в него
высушенную пробу грунта и снова взвешивают. Пикнометр с водой и грунтом
взбалтывают до образования однородной суспензии и ставят кипятить на
песчаную баню для удаления пузырьков воздуха из грунта и расчленения
агрегатов. Продолжительность спокойного кипячения (с момента начала
кипения) должна составлять: для песков и супесей – 30 мин, для суглинков и
глин – 1 час.
После кипячения пикнометр охлаждают в ванне с водой и доливают
дистиллированную воду до мерной риски на горлышке. После охлаждения
пикнометра поправляют положение мениска воды в нем, добавляя из
капельницы дистиллированную воду так, чтобы низ мениска совпадал с мерной
риской. Возможные капли воды выше риски удаляют фильтровальной бумагой.
Пикнометр вытирают снаружи и взвешивают.
Далее выливают содержимое пикнометра, ополаскивают его, наливают в
него дистиллированную воду до мерной риски. Пикнометр с водой
взвешивают.
Плотность частиц грунта ρs, г/см3, вычисляют по формуле
s 
 w  m0
m0  m 2  m1
(1.9)
где m1 – масса пикнометра с грунтом и водой после кипячения, г;
m2 – масса пикнометра с водой, г;
ρw – плотность воды, ρw = 1 г/см3.
m0 – масса сухого грунта, г;
(1.10)
m0  m' m' '
где m’’ – масса пикнометра, заполненного на 1/3 дистиллированной
водой, г;
28
m’ – то же с грунтом, г.
Определение плотности частиц грунта проводят для двух проб,
отобранных из исследуемого образца грунта. Допустимая разница результатов
определения плотности частиц грунта составляет: при плотности частиц грунта
ρs до 2,75 г/см3 – 0,02 г/см3, при ρs ≥ 2,75 г/см3 – 0,03 г/см3. За окончательное
значение плотности частиц грунта принимают среднее арифметическое из двух
показателей. Результаты вычислений заносят в журнал (табл. 1.10).
Таблица 1.10
Журнал определения плотности частиц грунта пикнометрическим методом
сухого грунта, m0
пикнометра с водой,
m2
Лабораторный
номер образца
пикнометра с водой и
грунтом, m1
№
п/п
пикнометра,
заполненного водой
на 1/3 его емкости,
m’’
пикнометра,
заполненного водой
на 1/3 его емкости и
грунта, m’
Масса, г
Плотность
частиц
грунта, ρs,
г/см3
1.3.6. Определение влажности грунта
Естественная влажность грунта – отношение массы воды в объеме
грунта к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы [3]. Влажность
грунта определяют по ГОСТ 5180-2015.
Необходимое оборудование: сушильный шкаф; лабораторные весы;
металлические или стеклянные бюксы; шпатель.
29
Рис. 1.6. Сушильный шкаф ES-4610 и алюминиевые бюксы
Для определения влажности отбирают пробу грунта массой 15  50 г,
помещают в заранее высушенный, взвешенный и пронумерованный бюкс и
плотно закрывают крышкой. При отборе пробы из образца нарушенной
структуры
грунт
распределилась по
нужно
тщательно
перемешать,
образцу равномерно.
Если
в
чтобы
влажность
исследуемом
грунте
присутствуют включения, то при отборе пробы на влажность нужно удалить
все видимые включения.
Пробу грунта в закрытом бюксе взвешивают. Открытый бюкс помещают
в нагретый сушильный шкаф. Грунт высушивают до постоянной массы при
температуре (105±2)ºС. Песчаные грунты высушивают в течение 3 ч., а
остальные − в течение 5 ч. Последующие высушивания песчаных грунтов
производят в течение 1 ч, а остальных – в течение 2 ч. После каждого
высушивания закрытый бюкс охлаждают до температуры помещения и
взвешивают. Высушивание проводят до получения разности масс грунта с
бюксом при двух последующих взвешиваниях не более 0,02 г.
Влажность определяется не менее чем для двух параллельных проб,
отбираемых из исследуемого образца грунта. Значение влажности вычисляют,
30
как
среднее
арифметическое
результатов
параллельных
определений.
Допустимая разница r между параллельными определениями составляет:
Влажность
грунта, %
r, %
<5
5  10
10  50
50  100
>100
0,2
0,6
2,0
4,0
5,0
Влажность грунта w, % вычисляют по формуле:
w  100 
m1  m0
m0  m
(1.11)
где m1 – масса влажного грунта с бюксом, г;
m0 – масса высушенного грунта с бюксом, г;
m – масса пустого бюкса, г;
Влажность вычисляют с точностью 0,1% при значениях влажности до
30% включительно и с точностью 1% при значениях влажности выше 30%.
Влажность грунта может быть выражена в долях единицы (д.е.).
Результаты испытаний заносят в журнал (табл.1.11).
Таблица 1.11
Журнал определения влажности грунтов
№
п/п
Лабораторный
номер образца
бюкса, m
Масса, г
влажного
грунта с
бюксом, m1
высушенного Влажность,
w,%
грунта с
бюксом, m0
Зная плотность грунта ρ, плотность частиц грунта ρs и влажность w,
вычисляют значение коэффициента пористости e
по формуле (1.6), по
которому устанавливают разновидность песчаного грунта по коэффициенту
пористости e по ГОСТ 25100-2011 согласно табл. 1.12.
31
Таблица 1.12
Разновидность песков по коэффициенту пористости e
Коэффициент пористости, e
Разновидность
песков
Плотный
Пески гравелистые,
крупные и средней
крупности
e ≤ 0,55
Средней плотности
0,55 < e ≤ 0,70
0,60 < e ≤ 0,75
0,60 < e ≤ 0,80
Рыхлый
e > 0,70
e > 0,75
e > 0,80
Пески мелкие
Пески пылеватые
e ≤ 0,60
e ≤ 0,60
Разновидность песков по коэффициенту водонасыщения Sr
Коэффициент водонасыщения Sr, д.е., − степень заполнения объема пор
водой. Определяется по формуле
Sr 
w  s
e  w
(1.12)
где w – природная влажность грунта, д.е.
e – коэффициент пористости, д.е.
ρs − плотность частиц грунта, г/см3;
ρw − плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3;
Разновидность
песков
по
коэффициенту
водонасыщения
Sr
устанавливают по ГОСТ 25100-2011 согласно табл. 1.13.
Таблица 1.13
Разновидность песков по коэффициенту водонасыщения Sr
Разновидность песков
Коэффициент водонасыщения, Sr ,д.е.
Малой степени водонасыщения (маловлажные)
0 < Sr ≤ 0,5
Средней степени водонасыщения (влажные)
0,5 < Sr ≤ 0,8
Водонасыщенные
0,8 < Sr ≤ 1
По
результатам
классификацию
песка
лабораторных
работ
с
класса;
указанием
32
№1
и
№2
подкласса;
производят
типа;
вида;
разновидностей по гранулометрическому составу, коэффициенту пористости и
коэффициенту водонасыщения.
1.4. Классификация глинистых грунтов
При выполнении лабораторных работ глинистые грунты согласно ГОСТ
25100-2011 классифицируются следующим образом:
Класс – дисперсные грунты;
Подкласс – связные;
Тип – осадочные;
Вид – минеральные;
Подвид – глинистые грунты;
Разновидности:
А) по числу пластичности;
Б) по показателю текучести.
1.4.1. Консистенция и характерные влажности глинистых грунтов
Глинистым грунтам в отличие от песчаных присуща консистенция
(густота, состояние), изменяющаяся в зависимости от их влажности. Различают
глинистые грунты твердой, пластичной и текучей консистенции. Переход
грунта из одного состояния (консистенции) в другое с изменением влажности
характеризует изменение устойчивости грунта под нагрузкой.
Глинистые грунты твердой консистенции под действием нагрузки,
превышающей некоторый предел, деформируются с образованием трещин
вплоть до полного разрушения.
Грунты пластичной консистенции под действием внешней нагрузки
деформируются без разрыва сплошности и сохраняют приданную форму после
снятия нагрузки.
33
Грунты текучей консистенции ведут себя как жидкость и практически не
оказывают сопротивления сдвигу.
Границами между этими состояниями грунта являются определенные
значения влажности.
Влажность на границе текучести wL − влажность грунта, при которой
грунт находится на границе между пластичным и текучим состояниями.
Влажность на границе раскатывания wP − влажность грунта, при
которой грунт находится на границе между твердым и пластичным
состояниями.
Рис. 1.7. Характерные влажности и консистенции глинистых грунтов
Лабораторная работа №3
Определение разновидности глинистых грунтов
по числу пластичности и показателю текучести
Число пластичности IP – разность влажностей, соответствующая двум
состояниям грунта, на границе текучести wL и на границе раскатывания wP:
(1.13)
I P  w L  wP
34
где wL –влажность на границе текучести, %
wP – влажность на границе раскатывания, %
Показатель
текучести
IL
–
отношение
разности
влажностей,
соответствующих двум состояниям грунта, естественному w и на границе
раскатывания wP к числу пластичности IP:
IL 
w  wP
IP
(1.14)
где w – природная влажность, %
wP – влажность на границе раскатывания, %
IP – число пластичности, %.
1.4.2. Определение влажности грунта на границе текучести
Границу текучести согласно ГОСТ 5180-2015 определяют как влажность
приготовленной из исследуемого грунта пасты, при которой балансирный
конус погружается под действием собственной массы за 5 с на глубину 10 мм.
Необходимое оборудование: сушильный шкаф; лабораторные весы;
металлические или стеклянные бюксы; балансирный конус Васильева с
цилиндрической чашкой; фарфоровая или металлическая чашка диаметром
7−8 мм; шпатель; ступка с пестиком; сито с отверстием 1мм; мелкая терка;
вазелин.
Балансирный конус представляет собой металлический пенетрационный
конус (угол при вершине 30°) с двумя противовесами, жестко закрепленными
на нем так, что центр тяжести устройства в рабочем положении опущен ниже
вершины конуса для устойчивости при измерениях. Конус имеет кольцевую
риску – 10 мм от вершины и общую массу (76±0,2) г. Комплектуется чашкой
для грунтовой пасты и подставкой.
35
Рис. 1.8. Балансирный конус для определения границы текучести грунта
Для определения границы текучести используют монолиты или образцы
нарушенного сложения, для которых требуется сохранение природной
влажности. Для грунтов, не содержащих органических веществ, возможно
использование образцов грунтов в воздушно-сухом состоянии. Образец грунта
в воздушно-сухом состоянии растирают в фарфоровой ступке или в
растирочной машине, не допуская дробления частиц грунта и одновременно
удаляя из него растительные остатки крупнее 1 мм, просеивают сквозь сито с
сеткой 1 мм. Прошедший сквозь сито грунт увлажняют дистиллированной
водой до состояния густой пасты, перемешивая шпателем, и выдерживают в
закрытом стеклянном сосуде не менее 2 ч. Тяжелые суглинки и глины
выдерживают 6 ч.
Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивают шпателем
и небольшими порциями плотно (без воздушных полостей) укладывают в
цилиндрическую чашку. Поверхность пасты заглаживают шпателем вровень с
краями чашки.
Балансирный конус, смазанный тонким слоем вазелина, подводят к
поверхности грунтовой пасты так, чтобы острие касалось пасты. Затем плавно
отпускают конус, позволяя ему погружаться в пасту под действием
собственного веса.
Погружение конуса в пасту в течение 5 с на глубину 10 мм показывает,
что грунт имеет влажность, соответствующую границе текучести.
36
При погружении конуса в течение 5 с на глубину менее 10 мм,
грунтовую пасту извлекают из чашки, присоединяют к оставшейся пасте,
добавляют немного дистиллированной воды, тщательно перемешивают ее и
повторяют опыт.
При погружении конуса за 5 с на глубину более 10 мм грунтовую пасту
из чашки перекладывают в фарфоровую чашку, слегка подсушивают на
воздухе, непрерывно перемешивая шпателем и повторяют опыт.
По достижении границы текучести из пасты отбирают пробы массой
15−30 г для определения влажности по методике, изложенной в п. 1.3.6.
Определение границы текучести проводят для двух проб, отобранных из
исследуемого образца грунта. Допустимая разница результатов определения
составляет:
2% для влажности на границе текучести wL < 80% и 4% для
влажности на границе текучести wL ≥ 80%. За окончательное значение
влажности грунта на границе текучести принимают среднее арифметическое из
двух показателей. Результаты вычислений заносят в журнал (табл. 1.14).
1.4.3. Определение влажности грунта на границе раскатывания
Границу раскатывания (пластичности) согласно ГОСТ 5180-2015
определяют как влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты, при
которой паста, раскатываемая в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на
кусочки длиной 3−10 мм.
Необходимое оборудование: сушильный шкаф; лабораторные весы;
металлические или стеклянные бюксы; балансирный конус Васильева с
цилиндрической чашкой; фарфоровая или металлическая чашка диаметром
7−8 мм; шпатель; ступка с пестиком; сито с отверстием 1мм; мелкая терка;
вазелин.
Подготовку грунта производят по методике, изложенной в п.1.4.2.
Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивают, берут
небольшой кусочек и раскатывают ладонью на стеклянной или пластмассовой
37
пластинке до образования жгута диаметром около 3 мм. Также допускается
раскатывание жгута пальцами одной руки на ладони другой. Если при этой
толщине жгут сохраняет связность и пластичность, его собирают в комок и
вновь раскатывают до образования жгута диаметром около 3 мм. Раскатывать
следует, слегка нажимая на жгут, длина жгута не должна превышать ширины
ладони. Раскатывание продолжают до тех пор, пока жгут не начинает
распадаться по поперечным трещинам на кусочки длиной 3−10 мм.
Кусочки распадающегося жгута собирают в бюксы, накрываемые
крышками. Когда масса грунта в стаканчиках достигнет 10−15 г, определяют
влажность в соответствии с методикой, изложенной в п. 1.3.6.
Определение
границы
раскатывания
проводят
для
двух
проб,
отобранных из исследуемого образца грунта. Допустимая разница результатов
определения составляет: 2% для влажности на границе раскатывания wP < 40%
и 4% для влажности на границе раскатывания wP ≥ 40%. За окончательное
значение влажности грунта на границе раскатывания принимают среднее
арифметическое из двух показателей. Результаты вычислений заносят в журнал
(табл. 1.14).
Таблица 1.14
Журнал определения влажности грунта на границе текучести
№
п/
п
1
2
3
Лабораторный
номер образца
и раскатывания глинистых грунтов
Масса, г
Показатели
пластичности
бюкса,
m
влажного
грунта с
бюксом,
m1
Граница
текучести, wL
Граница
раскатывания,
wP
Природная
влажность, w
38
высушенного Влажности,
wL; wP; w,%
грунта с
бюксом, m0
Разновидность
глинистых
грунтов
по
числу
пластичности
IP
определяется по ГОСТ 25100-2011 в соответствии с табл. 1.15.
Таблица 1.15
Разновидность глинистых грунтов по числу пластичности
Разновидность глинистых грунтов
Число пластичности IP, %
Супесь
1≤ IP < 7
Суглинок
7≤ IP < 17
Глина
IP ≥ 17
Разновидность
глинистых
грунтов
по
показателю
текучести
IL
определяется по ГОСТ 25100-2011 в соответствии с табл. 1.16.
Таблица 1.16
Разновидность глинистых грунтов по показателю текучести
Разновидность глинистых грунтов
Показатель текучести IL, д.е.
Супесь:
- твердая
- пластичная
- текучая
IL < 0
0≤ IL ≤ 1,00
IL > 1,00
Суглинки и глины:
- твердые
- полутвердые
- тугопластичные
- мягкопластичные
- текучепластичные
- текучие
IL < 0
0 ≤ IL ≤ 0,25
0,25 < IL ≤ 0,50
0,50 < IL ≤ 0,75
0,75 < IL ≤ 1,00
IL > 1,00
По результатам лабораторной работы №3 производят классификацию
глинистого грунта с указанием класса; подкласса; типа; вида; разновидностей
по числу пластичности и показателю текучести.
39
2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
2.1. Показатели механических свойств грунтов
Под механическими свойствами грунтов понимают их способность
сопротивляться действию внешних нагрузок и физических воздействий
(изменение влажности, температуры и др.). Показатели механических свойств
грунтов используются при расчете оснований и фундаментов инженерных
объектов, оценке деформаций, устойчивости и прочности грунтовых массивов.
В зависимости от величины действующих давлений показатели
механических
свойств
грунтов
подразделяются
на
деформационные,
определяющие способность грунтов сопротивляться развитию деформаций
(осадок, горизонтальных смещений и др.), и прочностные, характеризующие
способность грунтов сопротивляться разрушению.
Механические
свойства
(гранулометрического,
(плотности,
грунтов
зависят
минералогического),
влажности)
и
структурных
от
их
физического
особенностей,
состава
состояния
обусловленных
условиями образования и последующего изменения под действием природных
явлений или техногенной деятельности. В связи с этим механические свойства
грунтов
должны
определяться
экспериментально:
лабораторными
или
полевыми испытаниями.
Для
испытаний
в
лабораторных
условиях
отбираются
грунты
ненарушенной или нарушенной структуры. Образцы грунтов ненарушенной
структуры наиболее соответствуют условиям естественного залегания.
Наиболее точные характеристики механических свойств грунтов,
соответствующие условиям естественного залегания, могут быть получены в
результате полевых испытаний. Однако такие испытания трудоемки и
дорогостоящи. Они позволяют определять свойства лишь при использовании
самых простых моделей грунта. В ряде случаев при невозможности отбора
образцов в их естественном залегании (водонасыщенные пески, глинистые
40
грунты
текучей
консистенции
и
др.)
полевые
испытания
являются
единственным способом определения механических свойств.
Иногда
показатели
механических
свойств
грунтов
могут
быть
определены косвенным путем по их физическим характеристикам. Так
СП 22.13330.2016
допускает
для
предварительных
расчетов
оснований
сооружений геотехнической категории 2, а также для окончательных расчетов
оснований сооружений геотехнической категории 1 и опор воздушных линий
электропередачи независимо от их геотехнической категории определять
нормативные
и
расчетные
значения
прочностных
и
деформационных
характеристик грунтов в зависимости от их физических характеристик. С этой
целью в СП 22.13330.2016 приводятся таблицы нормативных значений
прочностных и деформативных характеристик грунтов.
2.2. Сжимаемость грунтов
Сжимаемостью грунтов называют их способность уменьшаться в
объеме, давая осадку, под воздействием внешней нагрузки. Сжимаемость
грунтов происходит в основном за счет уменьшения объема пор, так как
твердые минеральные частицы и вода считаются практически несжимаемыми в
диапазоне наиболее распространенных в строительной практике давлений
(0,1  0,5 МПа). Сжимаемость грунта зависит от гранулометрического состава,
структуры, плотности и влажности грунта, величины и времени действия
нагрузки. В песчаных грунтах она невелика и протекает быстро. В глинистых
грунтах процесс сжатия протекает медленно и продолжается длительное время.
В природных условиях при приложении вертикальной нагрузки к
некоторому
объему
грунта
последний
сжимается
(деформируется)
в
направлении большего из действующих напряжений и расширяется в
перпендикулярных
направлениях.
Но
поскольку
расширению
грунта
препятствует реакция окружающего грунта, то деформация его происходит при
41
ограниченной
возможности
бокового
расширения.
Однако
в
связи
с
неопределенностью деформации такого вида рассматривают деформацию
грунта при граничных условиях: 1) при свободном боковом расширении и 2)
при полной невозможности бокового расширения.
В первом случае относительные деформации будут
 x   y   z 
или
 
x y

z z
(2.1)
где εx, εy, εz − относительные деформации грунта соответственно по осям
x, y и z;
ν − коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона).
При сжатии в условиях полной невозможности бокового расширения
грунт испытывает одноосное сжатие в направлении приложения вертикальной
нагрузки и расширение в горизонтальном. Однако этому расширению
препятствует
реакция
окружающего
грунта,
вызывая
горизонтальные
сжимающие напряжения σx и σy (боковое давление грунта).
Величина бокового давления грунта при невозможности бокового
расширения характеризуется коэффициентом бокового давления ξ:
x y

z z
(2.2)
 x   y   z 
(2.2’)

отсюда следует, что
В лабораторных условиях изучение сжимаемости грунтов производят в
условиях одноосного сжатия без возможности бокового расширения. Для этих
целей проводят компрессионные испытания.
Лабораторная работа №4
Компрессионные испытания грунтов
Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для
определения характеристик деформируемости в соответствии с заданием и
42
программой испытаний: коэффициента сжимаемости m0, одометрического
модуля деформации Еoed и компрессионного модуля деформации Еk.
Эти характеристики определяют согласно ГОСТ 12248-2010 по
результатам
испытаний
образцов
грунта
в
компрессионных
приборах
(одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца при его
нагружении вертикальной нагрузкой. Диапазон давлений, при которых
проводят испытания, определяется в программе испытаний с учетом
напряженного состояния грунта в массиве, т.е. с учетом передаваемых на
основание нагрузок и бытового давления. Во всех случаях конечное давление
должно быть больше бытового давления на глубине залегания образца грунта.
Рис. 2.1. Автоматизированный испытательный комплекс АСИС для проведения
компрессионных испытаний
43
Известно большое число конструкций компрессионных приборов.
Основные их различия состоят в способах приложения нагрузки и регистрации
деформаций. Далее будет рассмотрен автоматизированный испытательный
комплекс АСИС (ООО "НПП "Геотек" г. Пенза), предназначенный для
компрессионных испытаний дисперсных и мерзлых грунтов природного и
нарушенного сложения.
Для создания вертикальной нагрузки применяются устройства осевого
нагружения мощностью 10, 30 или 50 кН с электромеханическим управлением.
Устройства обеспечивают создание вертикальной нагрузки с точность до 1%.
Основная рабочая часть прибора для компрессионных испытаний –
одометр, представляющий собой металлическое кольцо со специальным
каналом для удаления воды из грунта.
Рис. 2.2. Фильтрационный одометр для компрессионных испытаний
В испытательном комплексе АСИС используют фильтрационные
одометры двух видов: ГТ 2.1.1 (диаметром 87 мм и высотой 25 мм) и ГТ 2.1.2
(диаметром 71,4 мм и высотой 20 мм). Выбор одометра зависит от размеров и
однородности образца.
44
Принципиальная схема компрессионного прибора показана на рисунке
2.3.
Рис. 2.3. Принципиальная схема компрессионного прибора
Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с
природной влажностью или водонасыщенные или образцы нарушенного
сложения с заданными значениями плотности и влажности.
Образец грунта должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 70
мм и отношение диметра к высоте должно составлять от 2.8 до 3,5.
Максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце
должен быть не более 1/5 высоты образца.
Оборудование
и
приборы:
компрессионный
прибор
(одометр),
состоящий из рабочего кольца, цилиндрической обоймы, перфорированных
вкладыша под рабочее кольцо и штампа (пористых пластин) и поддона с
45
емкостью для воды; механизм для вертикального нагружения образца грунта;
устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта.
Компрессионные
приборы
тарируют
на
сжатие
с
помощью
металлического вкладыша, покрытого с двух сторон бумажными фильтрами,
смоченными водой. Максимальное давление при тарировке принимают в
зависимости от конструкции прибора и предельных нагрузок при испытаниях,
но не менее 1000 кПа, нагружение проводят ступенями по 50 кПа на первых
ступенях и далее по 100 кПа с выдержкой по 2 мин.
При подготовке
испытания образец грунта в рабочем кольце
взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в
цилиндрическую
обойму
компрессионного
прибора.
Далее
выполняют
следующие операции: устанавливают образец на перфорированный вкладыш;
устанавливают образец на перфорированный штамп; собранный прибор
устанавливают под механизм для вертикального нагружения образца грунта;
регулируют механизм нагружения образца; подключают устройства для
измерения
вертикальных
деформаций
образца;
записывают
начальные
показания приборов. При необходимости проводят водонасыщение грунта
путем фильтрации воды снизу вверх. Водонасыщение проводят для глинистых
грунтов в течение 2  5 сут, для песков – до момента появления воды над
штампом.
Нагружение грунта при испытании проводят ступенями нагрузки,
равномерно, без ударов. Первая ступень давления назначается для песков в
зависимости от коэффициента пористости e, для глинистых грунтов – в
зависимости от показателя текучести IL в соответствии с ГОСТ 12248-2010.
На каждой ступени нагружения образца регистрируют показания
приборов
для
измерения
вертикальных
деформаций
в
следующей
последовательности: первое показание – сразу после приложения нагрузки,
затем через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 мин и далее с интервалом 1 ч в течение
рабочего дня, а затем – в начале и конце рабочего дня.
46
Результаты испытания записывают в журнал (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Модуль
деформации, E,
МПа
Коэффициент β
Коэффициент
относительной
сжимаемости,
mv, МПа-1
Коэффициент
сжимаемости,
m0, МПа-1
Коэффициент
пористости, ei
Относительная
деформация,
εi = Si/h
Вертикальная
деформация, Si,
мм
Вертикальное
давление, P,
кПа
Журнал компрессионных испытаний грунтов
По вертикальным деформациям S вычисляются значения относительной
деформации
i 
где
Si
–
величина
Si
h
(2.3)
осадки
(вертикальная
деформация)
грунта,
соответствующая i-й ступени нагружения – значению Pi;
h – начальная высота образца грунта.
Устанавливается связь между изменением коэффициента пористости e
и величиной нормального давления P.
Величина коэффициента пористости
образца грунта ei, соответствующая i-му значению давления Pi, определяется по
формуле
ei  e0   i  (1  e0 )
(2.4)
где e0 – начальный коэффициент пористости грунта.
По вычисленным значениям коэффициента пористости ei для различных
значений нормальных давлений Pi строят график зависимости ei=f(Pi), которую
в механике грунтов называют компрессионной кривой (рис. 2.4.)
47
Рис. 2.4. Компрессионная кривая
Наибольшее практическое значение имеет участок компрессионной
кривой в диапазоне давлений от природного значения P1 до значения P2,
вызванного вертикальной нагрузкой на основание от фундамента.
Природное значение давления P1 (кПа) представляет собой давление
вышележащего грунта и определяется следующим образом:
P1    H
(2.5)
где γ – удельный вес грунта, kH/м3;
H – глубина взятия образца грунта, м.
Величина давления P2 зависит от значений нагрузок от веса сооружения
и размеров фундамента. Как правило, значение P2 находится в пределах 0,2 –
0,5 МПа.
При выделенном диапазоне
изменения давления от
P1 до
P2
компрессионную кривую можно заменить прямой линией AB. Уравнение этой
прямой имеет вид
48
ei  e0  Pi  tg
(2.6)
где Pi – давление, соответствующее i-й ступени нагружения.
Величина tgα характеризует сжимаемость грунта в пределах изменения
давления от P1 до Р2 и носит название коэффициента сжимаемости,
обозначаемого m0. На участке АВ коэффициент сжимаемости определяется по
следующей формуле:
m0 
e1  e 2
P2  P1
(2.7)
где e1 и e2 – коэффициенты пористости, соответствующие давлениям P1
и P2 соответственно, определяемые графически. Поскольку коэффициент
сжимаемости удобнее находить в МПа-1, значение давлений P1 и P2 необходимо
подставить в формулу (2.7) в МПа.
Деформацию,
отнесенную
к
единице
давления,
характеризует
коэффициент относительной сжимаемости грунта mν, определяемый по
формуле:
m 
m0
1  e0
(2.8)
Коэффициенты m0 и mν измеряются в единицах, обратных давлению,
т.е. МПа-1.
Одометрический
отношение
модуль
изменения
давления
деформации
ΔP
к
Eoed
представляет
соответствующему
собой
изменению
деформации относительного сжатия Δε и определяется по формуле:
Eoed 
P
1 1  e0


 m
m0
(2.9)
Одометрический модуль деформации Eoed получен при испытаниях
грунта в одометре при невозможности бокового расширения грунта. В
реальности, за счет возможности бокового расширения, значения модуля
деформации грунта оказываются ниже. Для практических расчетов используют
49
компрессионный модуль деформации грунта Ek определяемый по следующей
формуле:
E k  E oed   
где
β
–
  (1  e0 )


m
m0
коэффициент,
(2.10)
учитывающий
отсутствие
поперечного
расширения грунта в компрессионном приборе.
 1
2  2
1 
(2.11)
где ν – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона),
определяемый по результатам испытаний в приборах трехосного сжатия или в
компрессионных приборах с измерением бокового давления. При отсутствии
экспериментальных данных допускается принимать β равным 0,8 – для песков;
0,7 – для супесей; 0,6 – для суглинков; 0,4 – для глин.
Модуль деформации
E –
важнейшая
расчетная
характеристика
деформации грунта, используемая при определении осадок сооружений. Он
дает возможность качественно оценить грунт как основание сооружений.
Результаты вычислений заносят в журнал (табл.2.1). По результатам
определения модуля деформации определяют разновидность грунта по
деформируемости (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Разновидности грунтов по деформируемости
Разновидность грунтов
Очень сильно деформируемые
Сильнодеформируемые
Среднедеформируемые
Слабодеформируемые
Модуль деформации Е, МПа
Е≤5
5 < E ≤ 10
10 < E ≤ 50
E > 50
2.3. Прочность грунтов
Под прочностью грунтов понимают такое предельное значение
напряжений, по достижении которого грунт теряет свою сплошность. В нем
50
появляются трещины отрыва или сдвига. В этом случае имеет место хрупкое
разрушение. Такой характер разрушения присущ, например, скальным грунтам.
Некоторым материалам, например мерзлым глинистым грунтам, присуще
пластическое
деформирование
без
видимого
нарушения
сплошности,
переходящее в течение.
Особенности разрушения грунтов (хрупкое или пластическое) зависит
не только от их структурных связей, но и от величины и скорости приложения
нагрузки.
При приложении нагрузки к грунтовому массиву в нем возникают
напряжения, способные превзойти в отдельных точках (областях) внутренние
связи между частицами грунта. В этом случае возникнут скольжения (сдвиги)
одних частиц грунта по другим, нарушится сплошность грунта в некоторой
области, т.е. будет превзойдена прочность грунта и он перейдет в предельное
состояние. Переход грунта в предельное состояние означает, что прочность его
в данном объеме исчерпана.
Под предельным состоянием понимают состояние грунтов, при котором
происходит качественное изменение их свойств, например, переход из упругого
– в состояние разрушения.
Существует множество теорий прочности: наибольших нормальных
напряжений, наибольших относительных удлинений и др. В механике грунтов
наиболее широкое распространение получила теория прочности Мора-Кулона.
Согласно этой теории прочность грунта нарушается в той точке массива,
где нормальное σ и касательное τ напряжения, действующие по некоторой
площадке, находятся в соотношении
    tg  c ,
(2.12)
и напротив, прочность грунта в данной точке (области) массива будет
обеспечена,
если
напряжения,
действующие
по
любой
площадке,
удовлетворяют условию
    tg  c ,
(2.13)
51
где φ и c – угол внутреннего трения и удельное сцепление
соответственно, являющиеся показателями прочности грунта.
Уравнение (2.12) наиболее точно отражает концепцию прочности для
глинистых грунтов. В таких грунтах кроме трения между частицами грунта
присутствуют
силы
сцепления,
обусловленные
водно-коллоидными
и
цементационными связями. Параметр c, называемый удельным сцеплением,
характеризует связность грунта. Глинистые грунты называют связными.
Рис. 2.5. График зависимости сопротивления сдвигу от нормального
напряжения для глинистых грунтов
Если график зависимости сопротивления сдвигу от нормального
напряжения для глинистых грунтов продлить до пересечения с осью абсцисс,
то она отсечет отрезок, называемый давлением связности Pe. Давление
связности суммарно заменяет действие сил сцепления и может быть определено
по следующей формуле:
Pe 
Опытами
установлено,
c
 c  ctg
tg
что
график
(2.14)
зависимости
предельного
сопротивления сдвигу от нормального напряжения для идеально сыпучих
грунтов (песков) с достаточной степенью точности может быть принят за
52
прямую линию, проходящую из начала координат и наклоненную под углом φ
к оси нормальных напряжений (рис. 2.6).
Рис. 2.6. График зависимости сопротивления сдвигу от нормального
напряжения для песков
Согласно графику зависимость между касательным и нормальным
напряжениями выражается уравнением:
    tg ,
(2.15)
Показатель tg φ называют коэффициентом внутреннего трения, а угол
φ – угол внутреннего трения. Сопротивление сдвигу песчаных грунтов
возникает в основном в результате трения между перемещающимися частицами
и зацепления их друг за друга. Сцепление в песчаных грунтах отсутствует, либо
является крайне незначительным по величине. Такие грунты называют
несвязными.
Лабораторная работа №5
Определение сопротивления грунтов срезу
Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для
определения следующих характеристик прочности: угла внутреннего трения φ
и удельного сцепления c
для песков (кроме гравелистых и крупных),
глинистых и органо-минеральных грунтов. Эти характеристики определяют по
53
результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах
с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца
относительно другой его части горизонтальной нагрузкой при предварительном
нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Сопротивление
грунта срезу определяют как предельное среднее касательное напряжение, при
котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном
нормальном напряжении. Для определения частых значений φ и c необходимо
провести не менее трех испытаний идентичных образцов при различных
значениях нормального напряжения.
Испытания проводят по следующим схемам:
1) консолидировано-дренированный (медленный) срез – для песков,
глинистых и органо-минеральных грунтов независимо от их коэффициента
водонасыщения для определения эффективных значений φ и c;
2) неконсолидированный
быстрый
срез
–
для
водонасыщенных
глинистых и органо-минеральных грунтов, имеющих показатель текучести
IL ≥ 0,5, и просадочных грунтов, приведенных в водонасыщенное состояние
замачиванием
без
приложения
нагрузки,
для
определения
φ и c
в
нестабилизированном состоянии.
Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с
природной влажностью или в водонасыщенном состоянии или образцы
нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (в том
числе при полном водонасыщении), или образцы, отобранные из массива
искусственно уплотненных грунтов.
Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и
высотой от 1/3 до 1/2 диаметра. Максимальный размер фракции грунта
(включений, агрегатов) в образце должен быть не более 1/5 высоты образца.
Оборудование и приборы: установка для испытания грунта методом
одноплоскостного среза, включающая срезную коробку, механизм для
вертикального нагружения образца, механизм для создания горизонтальной
54
срезающей нагрузки, устройства для измерения деформаций образца и
прикладываемой нагрузки.
Известно большое число конструкций сдвиговых приборов. Далее будет
рассмотрен автоматизированный испытательный комплекс АСИС (ООО "НПП
"Геотек" г. Пенза), который позволяет испытывать образцы грунта в условиях
одноплоскостного
среза.
В
процессе
испытаний
осуществляется
автоматическое управление вертикальной и сдвиговой нагрузками, измерение
вертикальных деформаций и деформаций сдвига.
Рис. 2.7. Автоматизированный испытательный комплекс АСИС для проведения
сдвиговых испытаний
55
Комплекс предназначен для испытаний образцов диаметром 71,4 мм,
высотой 20 мм. Испытания могут проходить в автоматизированном и ручном
режимах. Для создания сдвиговой нагрузки применяется сдвиговое устройство
мощностью до 10 кН. Измерение вертикальных деформаций и деформаций
среза осуществляются при помощи датчиков линейных перемещений с
диапазоном измерения 20 мм. Все измерения проводятся с погрешностью, не
превышающей 0,2%. Испытания проводятся в срезной коробке.
Рис. 2.8. Общий вид собранной срезной коробки
Образцы грунта ненарушенного сложения вырезают из монолита
режущим кольцом согласно ГОСТ 30416-2012. Для проведения испытания на
консолидировано-дренированный
срез
необходимо
произвести
предварительное уплотнение образца. Рабочее кольцо с подготовленным
образцом грунта помещают в обойму уплотнителя, а затем собранную обойму
56
устанавливают в ванну уплотнителя на перфорированный вкладыш. Далее на
образец устанавливают перфорированный штамп, проводят регулирование
механизма нагрузки, устанавливают приборы для измерения вертикальных
деформаций грунта и записывают их начальные показания. Предварительное
уплотнение образцов проводят при нормальных давлениях P, при которых
определяют сопротивление срезу τ. Значение максимального давления Pmax
устанавливают в зависимости от предполагаемого напряженного состояния
грунтового массива. Значения нормальных давлениях Pi, при которых
определяют
сопротивление
срезу
τ,
устанавливают
как
часть
Pmax.
Предварительное уплотнение образцов до заданной нагрузки проводят
ступенями. Каждую ступень выдерживают 10-15 мин, а конечную ступень – до
завершения 100%-ной фильтрационной консолидации образца.
После предварительного уплотнения следует быстро разгрузить образец
и перенести рабочее кольцо с образцом в срезную коробку. Дале закрепляют
рабочее кольцо в срезной коробке, устанавливают перфорированный штамп,
регулируют механизм нагрузки, устанавливают зазор между подвижной и
неподвижной частями срезной коробки (0,5 мм для глинистых и органоминеральных и 1 мм – для песков), устанавливают измерительную аппаратуру
для регистрации вертикальных деформаций образца.
Нормальную нагрузку передают на образец в одну ступень и
выдерживают не менее:
5 мин – для песков;
15 мин – для супесей;
30 мин – для суглинков и глин.
После передачи на образец грунта нормальной нагрузки приводят в
рабочее состояние механизм создания горизонтальной сдвигающей нагрузки и
устройство для измерения деформаций срезу грунта и регистрируют его
начальное
показание.
Испытание
на
срез
проводят
при
непрерывно
возрастающей горизонтальной нагрузке с постоянной скоростью деформации
57
образца (кинематический режим) или при возрастании нагрузки ступенями
(статический режим).
При статическом режиме приложении горизонтальной нагрузки ее
ступени должны составлять 5% значения нормальной нагрузки, при которой
проводят срез. На каждой ступени нагружения записывают показания приборов
для измерения деформации среза чрез каждые 2 мин, уменьшая интервал между
измерениями до 1 мин в период затухания деформации до ее условной
стабилизации.
За
критерий
условной
стабилизации
деформации
среза
принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин.
При непрерывно возрастающей горизонтальной нагрузке скорость среза
должна быть постоянной и соответствовать указанной в таблице 2.3.
Горизонтальное сдвигающее усилие и деформацию среза фиксируют через
0,25-0,5 мм так, чтобы накопилось 15-20 отсчетов от начала среза до
достижения максимальной срезающей нагрузки.
Таблица 2.3.
Скорости среза песков и глинистых грунтов
Грунты
Пески и супеси
Суглинки с IP ≤ 12%
Суглинки с IP > 12%
Глины с IP ≤ 30%
Глины с IP > 30%
Скорость среза, мм/мин
≤ 0,5
≤ 0,1
≤ 0,05
≤ 0,02
≤ 0,01
Испытание следует считать законченным, когда произойдет мгновенный
срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или относительная
деформация образца превысит 10% (в зависимости от того, что наступит
раньше).
По измеренным в процессе испытания значениям горизонтальной
срезающей нагрузки вычисляют касательные напряжения τ, кПа:
58
  10000 
Q
A
(2.16)
где Q – горизонтальная срезающая сила, кН;
A – площадь образца, см2.
Определение τ необходимо поводить не менее чем при трех различных
значениях σ. По полученным значениям строят график зависимости τ = f(σ).
Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление c, МПа, вычисляют по
формулам (2.17) и (2.18), полученным обработкой экспериментальных точек
τ = f(σ) методом наименьших квадратов, или определяют по графику τ = f(σ),
проводя прямую наилучшего приближения к экспериментальным точкам.
tg 
n   i   i   i    i
n  ( i ) 2  (  i ) 2
(2.17)
 i    i2    i   i   i
с
n  ( i ) 2  (  i ) 2
(2.18)
где τi – опытные значения сопротивлению срезу, определенные при
различных значениях нормальных напряжений σi и относящиеся к отдельному
монолиту грунта (при n ≥ 3) или одному инженерно-геологическому элементу;
n – число испытаний.
При проведении расчетов угол внутреннего трения определяют с
точностью до 1°, удельное сцепление с точностью до 1кПа [3]. Обработку
результатов испытаний удобно производить в табличной форме.
Таблица 2.4
Определение прочностных характеристик грунта
Нормальные
напряжения
σi, кПа
Горизонтальная
срезающая сила
Q, кН
Касательные
напряжения
τi, кПа
100
200
300
59
Коэффициент
внутреннего
трения, tg φ
Угол
внутреннего
трения, φ, °
Удельное
сцепление,
c, кПа
Исходные данные для лабораторных работ
Лабораторная работа №1
К определению разновидности песка ситовым методом
Остаток на сите, г
при диаметре отверстий
0,5 мм
0,25 мм
630
596
219
323
497
556
515
588
397
486
845
603
78
225
74
407
332
847
520
374
№ варианта
2 мм
90
28
156
23
43
237
22
0
84
271
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,1 мм
413
572
364
772
410
191
1238
935
538
487
Остаток на
поддоне, г
270
858
427
102
664
124
437
584
199
349
К определению гранулометрического состава грунта ареометрическим методом
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Остаток на сите, г
при диаметре отверстий, мм
10
5
2
1
Остаток
на
поддоне
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
16
0
33
0
0
48
0
0
12
82
74
28
123
23
43
189
22
0
72
191
221
77
174
180
139
296
27
26
116
182
1689
1895
1670
1797
1818
1467
1951
1974
1800
1545
60
Природная
влажность
W, %
26,0
15,1
24,0
10,0
22,0
25,7
20,0
26,6
14,6
26,0
Плотность
частиц
грунта ρs,
г/см3
2,65
2,66
2,67
2,65
2,66
2,67
2,65
2,66
2,67
2,65
Масса
Остаток на сите, г
Отсчеты по ареометру
средней при диаметре отверстий
№
пробы
варианта
грунта g1,
0,5
0,25
0,1
1 мин
30 мин
11 ч
г
1
35,02
8,95
8,41
5,84
1,5
0,8
0,4
2
35,02
3,00
4,42
7,87
5,7
2,8
0,8
3
35,04
7,27
8,18
5,33
2,3
1,2
0,6
4
35,03
7,04
8,02
10,57
1,4
0,7
0,3
5
35,02
5,48
6,70
5,65
3,4
1,6
0,8
6
35,05
12,96
9,26
2,92
0,8
0,6
0,3
7
34,99
1,06
3,07
16,89
2,8
1,5
0,6
8
35,02
1,00
5,49
12,65
2,3
1,2
0,5
9
35,03
4,67
11,96
7,58
1,6
0,8
0,3
10
34,98
8,10
5,84
7,60
1,4
0,6
0,3
Принять температуру суспензии при снятии отсчета через 1 минуту после
взбалтывания равной 20,5°С; при снятии отсчета через 30 минут и 11 часов –
равной 19°С.
Лабораторная работа №2
К определению плотности грунта
Диаметр кольца – 70 мм
Масса, г
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
кольца с
грунтом и
пластинками,
m1
548,21
524,48
552,32
542,18
521,68
431,82
443,21
434,13
438,11
426,24
кольца, m0
пластинок,
m2
137,53
137,53
137,53
137,53
137,53
103,13
103,13
103,13
103,13
103,13
99,35
99,35
99,35
99,35
99,35
99,35
99,35
99,35
99,35
99,35
61
Высота кольца,
h, мм
40
40
40
40
40
30
30
30
30
30
К определению плотности частиц грунта
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
пикнометра,
заполненного
водой на 1/3
его емкости,
m’’
82,21
82,21
82,21
82,21
82,21
156,12
156,12
156,12
156,12
156,12
Масса, г
пикнометра,
заполненного
пикнометра с
водой на 1/3 его
водой и
емкости и
грунтом, m1
грунта, m’
98,24
159,43
98,53
159,48
98,32
159,62
98,07
159,77
98,04
159,33
172,21
233,73
172,30
234,08
172,49
234,27
172,04
233,65
172,12
233,33
К определению природной влажности грунта
Масса пустого бюкса – 25,84 г
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Масса, г
влажного грунта с
высушенного грунта с
бюксом, m1
бюксом, m0
48,41
44,21
48,67
45,16
55,37
50,99
46,93
43,13
59,48
54,72
45,99
42,57
50,50
46,51
49,98
46,48
54,95
50,85
49,40
45,83
62
пикнометра с
водой, m2
149,75
149,75
149,75
149,75
149,75
223,77
223,77
223,77
223,77
223,77
Лабораторная работа №3
Масса пустого бюкса – 25,84 г
К определению влажности грунта на границе текучести
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Масса, г
влажного грунта с
высушенного грунта с
бюксом, m1
бюксом, m0
48,84
43,89
56,08
50,32
49,37
43,18
47,81
42,33
48,29
42,68
58,75
51,78
47,10
41,36
50,43
44,64
51,42
45,56
50,01
45,33
К определению влажности грунта на границе раскатывания
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Масса, г
высушенного грунта с
влажного грунта с
бюксом, m0
бюксом, m1
48,26
44,83
57,09
53,58
55,65
51,13
56,33
52,81
56,57
51,01
49,09
45,06
53,25
49,76
50,66
47,14
56,66
52,57
56,72
52,01
63
К определению природной влажности грунта
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Масса, г
высушенного грунта с
влажного грунта с
бюксом, m0
бюксом, m1
45,99
42,57
50,50
46,51
49,98
46,48
54,95
50,85
49,40
45,83
48,41
44,81
48,67
45,16
55,37
50,99
46,93
43,13
59,48
54,72
Лабораторная работа №4
Испытание проходит для песка. Высота образца h=25 мм. Плотность грунта и
начальный коэффициент пористости взять по результатам выполнения
лабораторной работы №2. Глубина отбора образцов – 5 м. Давление под
подошвой фундамента P2=250 кПа.
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Значения вертикальной деформации Si, мм в зависимости от
вертикального давления Pi, кПа
12,5
25
50
100
200
300
400
500
0,104 0,169 0,260 0,403 0,637 0,785 0,884 0,923
0,064 0,104 0,160 0,248 0,392 0,480 0,544 0,568
0,082 0,133 0,204 0,311 0,490 0,602 0,681 0,715
0,072 0,117 0,182 0,279 0,441 0,542 0,612 0,639
0,088 0,143 0,223 0,341 0,539 0,662 0,748 0,781
0,056 0,091 0,144 0,217 0,343 0,424 0,476 0,497
0,096 0,156 0,241 0,372 0,588 0,722 0,816 0,852
0,068 0,110 0,170 0,263 0,416 0,513 0,578 0,603
0,084 0,136 0,213 0,325 0,514 0,635 0,714 0,745
0,092 0,149 0,231 0,356 0,563 0,691 0,782 0,816
64
Лабораторная работа №5
Диаметр образца – 71,4 мм.
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Нормальные напряжения σ,
кПа
σ1
σ2
σ3
100
200
300
100
200
300
100
200
300
100
200
300
100
200
300
100
200
300
100
200
300
100
200
300
100
200
300
100
200
300
65
Горизонтальная срезающая
сила Q, кН
Q1
Q2
Q3
0,408
0,556
0,692
0,244
0,476
0,700
0,332
0,564
0,788
0,220
0,368
0,504
0,288
0,560
0,820
0,496
0,692
0,880
0,444
0,592
0,728
0,312
0,536
0,748
0,340
0,676
1,004
0,328
0,580
0,824
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. – М.: Стандартинформ, 2013
2. ГОСТ 12071-2014. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и
хранение образцов. – М.: Стандартинформ, 2015
3. ГОСТ 30416-2012. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.
– М.: Стандартинформ, 2013
4. ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний. – М.:
Стандартинформ, 2006
5. ГОСТ
12536-2014.
Грунты.
Методы
лабораторного
определения
гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. – М.:
Стандартинформ, 2015
6. ГОСТ 5180-2015. Грунты.
Методы
лабораторного
определения
физических характеристик. – М.: Стандартинформ, 2016
7. ГОСТ
12248-2010.
Грунты.
Методы
лабораторного
определения
характеристик прочности и деформируемости. – М.: Стандартинформ,
2012
8. ГОСТ
20522-2012.
Грунты.
Методы
статистической
обработки
результатов испытаний. – М.: Стандартинформ, 2013
9. ГОСТ
22733-2016.
Грунты.
Метод
лабораторного
определения
максимальной плотности. – М.: Стандартинформ, 2016
10. ГОСТ
25584-2016.
Грунты.
Методы
лабораторного
определения
коэффициента фильтрации. – М.: Стандартинформ, 2016
11. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная
редакция СНиП 2.02.01-83*. – М.:Госстрой, 2016
12. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные
положения. – М.:Госстрой, 2013
13. СП 47.13330.2016 Инженерные изыскания для строительства. Основные
положения. – М.:Минстрой, 2017
66
14. РСН 51-84. Инженерные изыскания для строительства. Производство
лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов. – М.:
Госстрой РСФСР, 1985
15. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах)
[Текст]: учеб. пособие / Г.Г. Болдырев, М.В. Малышев. 4-е изд., перераб.
и доп.− Пенза: ПГУАС, 2009. − 412 с.
16. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учеб. пособие для строит.
спец. вузов/ С.Б.Ухов, В.В.Семенов, В.В.Знаменский и др.; Под ред.
С.Б.Ухова. – 4-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2007. – 556 с.: ил.
67
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….….
3
1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ ………….…………………..
5
1.1. Показатели физических свойств грунтов……………………………….
5
1.2. Классификация грунтов……………………….………………………….
6
1.3. Классификация песков……………………………………………………
9
Лабораторная работа №1
Определение разновидности песка по гранулометрическому
составу………………………………………………………………………….
9
1.3.1. Определение гранулометрического (зернового) состава песков
ситовым методом………………………………………………………………
9
1.3.2. Определение гранулометрического (зернового) состава грунтов
ареометрическим методом…………………………………………………….
13
1.3.3. Графическое изображение гранулометрического состава……………
20
Лабораторная работа №2
Определение разновидности песков по коэффициенту пористости и
коэффициенту водонасыщения……………………………………………..
23
1.3.4. Определение плотности грунта методом режущего кольца………….
24
1.3.5. Определение плотности частиц грунта пикнометрическим методом.
27
1.3.6. Определение влажности грунта………………………………………..
29
1.4. Классификация глинистых грунтов……………………………………...
33
1.4.1. Консистенция и характерные влажности глинистых грунтов……….
33
Лабораторная работа №3
Определение разновидности глинистых грунтов по числу
пластичности и показателю текучести……………………………………
34
1.4.2. Определение влажности грунта на границе текучести……………….
35
1.4.3. Определение влажности грунта на границе раскатывания…………..
37
68
2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ…………………………...
40
2.1. Показатели механических свойств грунтов……………………………..
40
2.2. Сжимаемость грунтов…………………………………………………….
41
Лабораторная работа №4
Компрессионные испытания грунтов……………………………………..
42
2.3. Прочность грунтов………………………………………………………..
50
Лабораторная работа №5
Определение сопротивления грунтов срезу……………………………….
53
Исходные данные для лабораторных работ………………………………….
60
Библиографический список…………………………………………………...
66
69
Составители:
Алоян Роберт Мишаевич
Рязанский Александр Олегович
МЕХАНИКА ГРУНТОВ. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Учебное пособие
Печатается в авторской редакции
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет»
153002, г. Иваново, Шереметевский проспект, 21
70
Скачать