Лаб.работы. Методичка. Лабораторные исследования физических и механических свойств грунтов
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Cтроительный факультет Кафедра геотехники ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ Методические указания Санкт-Петербург 2014 2 3 УДК Рецензент др техн. наук, профессор И. И. Сахаров (СПбГАСУ) Лабораторные исследования физических и механических свойств грунтов метод. указания / сост Р. А. Мангушев, А. В. Ершов; СПбГАСУ. – СПб., 2014. – 54 с. Содержат описание лабораторных работ, самостоятельно выполняемых студентами при изучении дисциплины Механика грунтов». Предназначены для студентов направления 08.03.01 – строительство и специальности 08.05.01 – строительство уникальных зданий и сооружений. Табл. 24. Ил. 12. Библиогр.: 17 назв Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2014 ВВЕДЕНИЕ Механика грунтов – это механика дисперсных горных пород, те. связных и несвязных (сыпучих) грунтов, которые образовались в результате выветривания (разрушения) каменной оболочки Земли (литосферы. Дисперсные грунты состоят из минеральных частиц, прочность связей между которыми во много раз меньше прочности самих частиц. Поры между частицами могут быть частично или полностью заполнены водой. Другие классы грунтов (горных пород) рассматривают соответствующие науки – механика скальных грунтов и механика мерзлых грунтов. Главными задачами механики дисперсных грунтов являются: оценка прочности и деформируемости грунтов в основании сооружений оценка давления грунтов на строительные конструкции (подпорные стены, подземные сооружения и т. п.); оценка устойчивости грунтовых массивов (естественных откосов) и земляных сооружений (дамб, насыпей и т. п.). Решение указанных задач требует исследования физических и механических свойств грунтов. Целью лабораторных работ является практическое ознакомление студентов с методами определения основных показателей физических и механических свойств дисперсных грунтов. Лабораторные работы выполняются бригадами из 2-3 студентов. Каждый студент ведет журнал работ, в который заносит исходные данные, фиксирует походу работы результаты опыта, а затем проводит необходимые расчеты и графические построения. В конце занятия студент оформляет отчет и предъявляет его преподавателю. На каждом занятии выполняются одна или несколько (до трех) лабораторных работ. Все работы должны выполняться аккуратно. Студенты несут ответственность за испорченную аппаратуру и разбитую посуду После окончания опытов студенты должны привести рабочее место в порядок. Для допуска к зачету (экзамену) по механике грунтов студенты должны выполнить, оформить и защитить все лабораторные работы, атак- же решить задачи. Тематика задач зависит от профиля (специальности) подготовки студентов 4 Лабораторная работа № ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ГРУНТА ПОЛЕВЫМ МЕТОДОМ Гранулометрическим составом грунта называется весовое содержание в нем частиц различной крупности, выраженное в процентах по отношению к весу сухой пробы, взятой для анализа. Для определения гранулометрического состава составляющие грунт элементы разделяют на отдельные фракции. Методы разделения зависят от размера фракций (ГОСТ По размерам слагающие дисперсный грунт элементы и их фракции подразделяют согласно ГОСТ 25100–2011 (табл. Таблица Классификация элементов грунта по размерам Элементы грунта Фракции Размер фракции, мм Валуны (глыбы) Крупные > 800 Средние 400…800 Мелкие 200…400 Галька (щебень) Крупные 100…200 Средние 60…100 Мелкие 10…60 Гравий (дресва) Крупные 5…10 Мелкие 2…5 Песчаные частицы Грубые 1…2 Крупные 0,5…1 Средние 0,25…0,5 Мелкие 0,10…0,25 Тонкие 0,05…0,10 Пылеватые частицы Крупные 0,01…0,05 Мелкие 0,002…0,01 Глинистые частицы В лабораторной работе для гранулометрического анализа используется грунт, размер фракций которого не превышает 2 мм. Разновидность грунта определяется по гранулометрической классификации (табл. Таблица Гранулометрическая классификация грунтов (по В. В. Охотину) * Грунт Содержание глинистых частиц (менее 0,002 мм, % по массе Песок < 2 Супесь 2…10 Суглинок 10…30 Глина > Грунты, в которых масса частиц размером 0,05…2 мм составляет более, относят к пескам. Согласно ГОСТ 25100–2011, в зависимости от размера частиц и их процентного содержания различают песок граве- листый, крупный, средней крупности, мелкий и пылеватый (табл. 1.3). Грунты, в которых фракции крупнее 2 мм составляют более 50 %, называют крупнообломочными. Таблица Классификация песков по гранулометрическому составу Разновидность песка Размер частиц, мм Соде ржание частиц, % по массе Гра велистый > 2 > Крупный 0,50 > Средней крупности 0,25 > 50 Мелкий 0,10 ≥ 75 Пылев атый > 0,10 < Гранулометрический состав позволяет косвенно судить о некоторых строительных свойствах грунтов. С уменьшением размеров частиц возрастает суммарная площадь их поверхности на единицу объема, что увеличивает коагуляционные связи (связи молекулярного и водно- коллоидного притяжения между частицами и их водными оболочками). Так, между фракциями гальки и гравия коагуляционные связи отсутствуют. Грунты, состоящие из этих фракций, отличаются хорошей водопроницаемостью, полным отсутствием капиллярного поднятия, неизменностью свойств при изменении влажности. Пески хорошо пропускают воду, имеют незначительную величину капиллярного поднятия. При изменении влажности пески пылеватые и мелкие меняют строительные свойства В. В. Охотин. Грунтоведение. Л ЛГУ, 1953. 231 с 6 Грунты с преобладанием пылеватых и глинистых частиц имеют малую водопроницаемость, но значительную высоту капиллярного поднятия. Глинистые частицы резко изменяют свойства грунтов при их увлажнении (приобретают пластичность и липкость, увеличиваются в объеме) и придают грунтам водонепроницаемые свойства. В настоящей работе требуется определить содержание песчаных, пылеватых и глинистых частиц в исследуемом грунте полевым методом методом СИ. Рутковского). Необходимое оборудование и материалы Проба грунта нарушенной структуры в воздушно-сухом состоянии г Градуированные цилиндры – 2 шт Палочки с резиновыми наконечниками – 2 шт Раствор хлористого кальция (CaCl 2 – 5 %). Колбас водой – 1 шт Стакан для слива суспензии – 1 шт Секундомер – 1 шт. Ход работы О пределен и е содержания песчаных частиц размер отд ом м Способ основан на разной скорости падения частиц грунта вводе в зависимости от их крупности (закон Стокса) и состоит в отмучивании отмывании) глинистых и пылеватых частиц от песчаных. Грунт нарушенной структуры в воздушно-сухом состоянии насыпают ложкой в прозрачный цилиндр и уплотняют постукиванием пола- дони. После уплотнения грунт должен иметь объем 10 см 2. Наклоном цилиндра и легким встряхиванием грунт разрыхляют так, чтобы показалось дно, после чего в цилиндр наливают воду до 50…60 см 3. Грунт при помощи палочки с резиновым наконечником тщательно растирают и перемешивают с водой до исчезновения частиц, налипших на стенки цилиндра и наконечник. После этого в цилиндр доливают воду до 100 см 4. Полученную суспензию хорошо взмучивают палочкой с резиновой кисточкой. Кисть вынимают, замечают время и дают суспензии отстояться с. За это время все песчаные частицы успевают осесть на дно (табл. 1.4). После этого ⅔ объема суспензии с пылеватыми и глинистыми частицами сливают (до 30…35 см 3 ). Таблица Скорости падения частиц вводе по Стоксу * Диаметр частиц, мм Скорости падения частиц вводе, мм/с, при температуре воды, С 12 15 17 20 0,05 1,727 1,871 2,041 2,042 2,246 0,01 0,070 0,076 0,083 0,083 0,091 0,005 0,0173 0,0187 0,0204 0,0204 0,0225 0,002 0,0028 0,0030 0,0033 0,0033 0,0036 0,001 0,00070 0,00076 0,00083 0,00083 0,00091 5. Цилиндр вновь доливают водой до 100 см, суспензию взмучивают, отстаивают 90 с, после чего сливают ⅔ ее объема и т. д. Процесс повторяют до практически полного осветления жидкости. Далее сливают те же фракции (диаметром менее 0,05 мм, но через меньшие промежутки времени. Для этого оставшуюся суспензию в объеме 30…35 см взмучивают и через 30 с осторожно сливают мутную воду над осевшим грунтом. При сливании необходимо следить, чтобы песчаные частицы не уносились из цилиндра вместе с водой. Затем цилиндр снова доливают водой до 30 см, взмучивают осадок, через 30 с сливают и т. д. Процесс повторяют до тех пор, пока вода не станет прозрачной. По завершении отмучивания в цилиндр наливают воду до 100 см, дают песку отстояться и определяют его объем. Так как 1 см составляет 10 % от первоначального объема грунта, то содержание песка в грунте определяют умножением числа кубических сантиметров осадка на 10. Результат опыта записывают в табл. 1.5. * В. Д. Ломтадзе. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств песчаных и глинистых грунтов. М Госгеолиздат, 1952. 234 с 8 Таблица Результаты определения содержания песчаных частиц Начальный объем грунта V 1 , см 3 Объем песчаных частиц V 2 , см 3 Содержание песчаных частиц 100 1 2 1 V V X , Определение содержания глинистых частиц размер менее мм Способ основан на свойстве глинистых частиц увеличиваться в объеме (набухать) при увлажнении. Набухание происходит в результате расклинивающего действия оболочек связанной воды, образующихся при гидратации глинистых минералов и тонкодисперсных частиц. Сухой грунт из той же пробы, что ив предыдущем опыте, насыпают в прозрачный цилиндр и постукиванием по ладони уплотняют до 10 см 2. Грунт разрыхляют ив цилиндр наливают воду до 50…60 см 3. Для коагуляции и ускорения оседания глинистых частиц к полученной суспензии добавляют 3…4 см пятипроцентного раствора хлористого кальция (С. Цилиндр доливают водой до 100 см, суспензию взмучивают один рази оставляют для отстаивания и набухания в течение 1…2 сут или до следующего занятия. В цилиндр вставляют этикетку с указанием группы и фамилии студента. После отстаивания определяют объем набухшего грунта. Содержание глинистых частиц в процентах определяют умножением относительного приращения объема грунта на эмпирический коэффициент. Результат опыта записывают в табл. Таблица Результаты определения содержания глинистых частиц Начальный объем грунта, см 3 Объем набухшего грунта V 2 , см 3 Приращение объема (V 2 – V 1 ), см 3 Относитель- ное приращение объема 1 Содержание глинистых частиц 1 2 2 K V V V X Определение содержания пыле ваты х частиц размер отд ом м Процентное содержание пылеватых частиц определяют вычитанием из 100 % суммы процентов глинистых и песчаных частиц (табл. Таблица Результаты определения гранулометрического состава грунта Частицы Содержание частиц, Наименование грунта Песчаные Глинистые Пылеватые О пределен иена именования грунта Наименование грунта определяют, используя гранулометрическую классификацию (см. табл. 1.2). Результат определения записывают в табл. Лабораторная работа № ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА МЕТОДОМ РЕЖУЩЕГО КОЛЬЦА (ГОСТ Плотностью грунта называется масса единицы объема грунта в его природном (естественном) состоянии. Плотность грунта в данной работе рассчитывают путем определения массы грунта в известном объеме кольца. По величине плотности ρ вычисляют значение удельного веса грунта = где g = 9,8 мс – ускорение свободного падения. Характеристика удельный вес используется для определения расчетного сопротивления грунта, давления грунта на ограждающие конструкции, расчета устойчивости откосов и т. д. Необходимое оборудование и материалы Монолит грунта Режущее кольцо с заточенной кромкой 10 11 Паспорт к кольцу Салфетка для кольца Нож Правило Оргстекло Весы. Ход работы. Подготавливают таблицу для записи результатов опыта (табл. 2.1). В таблицу записывают данные об объеме и массе кольца из его па- спорта. Таблица Результаты определения плотности и удельного веса грунта Объем кольца, см 3 Масса кольца m 1 , г Масса кольца с грунтом, г Масса грунта (m 2 − m 1 ), г Плотность грунта 2 V m m г/см 3 Удельный вес грунта = ρg, кН/м 3 2. Режущее кольцо заостренной кромкой устанавливают на поверхность монолита. Надавливанием на кольцо (без перекосов) его погружают на 2…3 мм в грунт. Все операции выполняют аккуратно, не торопясь, во избежание нарушения структуры грунта. Для снижения сил трения и уменьшения нарушения структуры образца в кольце грунт с внешней стороны кольца срезают ножом. Новым надавливанием кольцо погружают в монолит еще на 2…3 мм, грунт снаружи снова срезают и т. д. Погружение прекращают, когда грунт заполнит кольцо и выйдет из него на 1…2 мм. Грунт ниже кольца подрезают на конус. Образец грунта сколь- цом извлекают из монолита и устанавливают на стекло вверх конусом. Конус осторожно мелкими дольками срезают так, чтобы образец выступал над режущей кромкой кольца на 1…2 мм. Затем поверхность грунта с помощью правила зачищают вровень с краями кольца. Зачистку производят от центра к периметру. При этом режущую кромку правила следует все время очищать от грунта. Мелкие раковины шпаклюют (без нажима) грунтом. Кольцо с грунтом переворачивают и ставят зачищенной стороной на оргстекло, после этого производят зачистку грунта с другой стороны, как указано в п. 5. В результате объем грунта становится равным объему кольца. Кольцо снаружи тщательно протирают и вместе с грунтом взвешивают (с точностью дог. Рассчитывают плотность и удельный вес грунта по формулам, приведенным в табл. 2.1. Точность вычисления плотности – 0,01 г/см 3 , удельного веса – 0,1 кН/м 3 Лабораторная работа № ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИРОДНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА (ГОСТ Влажностью (весовой влажностью грунта называется отношение массы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной массы, к массе высушенного грунта. Влажность определяют весовым методом по результатам взвешивания пробы влажного грунта и той же пробы грунта после его высушивания при температуре 105 Св сушильном шкафу (термостате. Ее находят для образца грунта, у которого определяли плотность. Характеристика влажность используется при определении плотности сухого грунта, степени заполнения пор грунта водой, консистенции глинистых грунтов и т. д. Необходимое оборудование Бюкс Нож Весы. Ход работы. Подготавливают таблицу для записи результатов опыта (табл. 3.1). В таблицу записывают данные о бюксе (номер бюкса отштампована масса написана на его крышке 12 Таблица Результаты определения природной влажности Номер бюкса Масса бюкса m 1 , г Масса бюкса с влажным грунтом, г Масса бюкса с сухим грунтом, г Влажность грунта , 1 3 3 доли ед. Примерно четверть грунта, оставшегося в кольце (после определения плотности в лабораторной работе № 2), помещают в бюкс и закрывают крышкой. Бюкс с влажным грунтом и крышкой взвешивают с точностью дог. Лаборант помещает бюкс с грунтом в термостат, где он высушивается при температуре 105 Св течение 4…6 ч. Бюксы с сухим грунтом хранят в эксикаторе – закрытом сосуде с хлористым кальцием, поглощающим влагу из воздуха. Наследующем занятии бюкс с сухим грунтом взвешивают стой же точностью. Влажность вычисляют в долях единицы с точностью до 0,01 по формуле, приведенной в табл. Вычисление дополнительных физических характеристик грунта Физические характеристики грунта, определяемые экспериментально, называют основными. К ним относят плотность грунта ρ, плотность частиц грунта ρ s и влажность w. Используя их, можно вычислить дополнительные физические характеристики грунта: плотность сухого грунта (плотность скелета) ρ d – отношение массы сухого грунта к занимаемому этим грунтом объему, включающему поры; относительное содержание твердых частиц m – отношение объема твердых частиц к объему всего грунта; пористость n – отношение объема пор к объему всего грунта; коэффициент пористости е – отношение объема пор к объему твердых частиц; влажность, соответствующая полному заполнению пор грунта водой (полная влагоемкость) w sat – отношение массы воды, заполняющей все поры грунта, к массе сухого грунта; коэффициент водонасыщения S r – отношение объема воды, содержащейся в порах грунта, к объему пор. Расчеты дополнительных характеристик выполняют в следующей последовательности: а) плотность сухого грунта, г/см 3 : ; 1 б) относительное содержание твердых частиц, доли ед.: , s d m где ρ s – плотность частиц грунта, определяемая экспериментально (см. ГОСТ 5180–84). Значения ρ s варьируют в небольшом диапазоне для песков от 2,65 до 2,67 г/см 3 ; для супесей – от 2,68 до 2,72 г/см 3 ; для суглинков от 2,69 до 2,73 г/см 3 ; для глин – от 2,71 до 2,76 г/см 3 . В данном расчете принимаем ρ s = 2,70 г/см 3 ; в) пористость, доли ед г) коэффициент пористости, доли ед.: ; m n e д) влажность грунта при полном водонасыщении: , s w sat m n w где ρ w = 1,0 г/см 3 – плотность воды; е) коэффициент водонасыщения, доли ед.: sat r w w S Примечание. Точность вычисления коэффициента пористости – 0,001, других характеристик – 0,01. 14 Лабораторная работа № ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ВЛАЖНОСТЕЙ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА (ГОСТ Глинистые грунты при определенной влажности и небольших давлениях обладают пластичностью, те. способностью под воздействием внешних сил изменять форму (деформироваться) без разрыва сплош- ности и сохранять приданную им форму после прекращения этого воз- действия. Пластичность связных грунтов определяется составом и свойствами как твердых частиц, таки взаимодействующей сними поровой жид- кости. Важнейшим фактором, влияющим на пластичность грунтов, является гранулометрический состав. Содержание глинистых частиц сильно влияет на пластичность. Чем больше в грунте содержится глинистых частиц, тем он пластичнее. Для оценки пластичности глинистых грунтов определяют их характерные влажности влажность на границе пластичности w p и влажность на границе текучести w L . Разные глинистые грунты имеют свои величины характерных влажностей w p и Влажность на границе текучести w L (верхний предел пластичности) соответствует влажности, при незначительном превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее (рис. Рис. 1. Зависимость показателя текучести и консистенции глинистого грунта от влажности |