Лабораторные работы. Сборник лабораторных работ. Сборник лабораторных работ Издание второе, исправленное и дополненное Хабаровск Издательство двгупс 2003

• Название: Сборник лабораторных работ Издание второе, исправленное и дополненное Хабаровск Издательство двгупс 2003
• Анкор: Лабораторные работы
• Дата: 02.09.2021
• Размер: 0.99 Mb.
• Имя файла: Сборник лабораторных работ.doc
• Тип: Сборник; #228955
• страница: 2 из 8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК,
нАИМЕНОВАНИЯ И РАСЧЕТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПЕСЧАНОГО ГРУНТА

1.1. Основные положения

Существующая стандартная классификация песчаных грунтов основана на их физических характеристиках.

Песчаные грунты подразделяются на типы по гранулометрическому составу и по степени неоднородности гранулометрического состава; на виды – по плотности сложения (по коэффициенту пористости) и по относительному содержанию органических веществ; на разновидности – по степени влажности, по степени засоленности и т. д.

Гранулометрический состав – количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.

К песчаным грунтам относится несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером менее 2 мм составляет более 50 % (J_p = 0).

Разновидности крупнообломочных и песчаных грунтов по гранулометрическому составу приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Крупнообломочные и песчаные грунты

Разновидность грунтов	Размер зерен, частиц d, мм	Содержание зерен, частиц, % по массе
Крупнообломочные: валунный (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый) галечниковый (при неокатанных гранях – ще­бе­нис­тый) гравийный (при неокатанных гранях – дресвяный) Пески: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	Cвыше 200 » 10 » 2 » 2 » 0,50 » 0,25 » 0,10 » 0,10	Свыше 50 » 50 » 50 » 25 » 50 » 50 75 и свыше Менее 75

Примечание. При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % общей массы воздушно-сухого грунта в наименование крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Для установления разновидности грунта по табл. 1.1. последовательно суммируются проценты содержания частиц исследуемого грунта: сначала – крупнее 200 мм, затем – крупнее 10 мм, далее – крупнее 2 мм и т.д. Тип грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований сверху вниз.

Гранулометрический состав песчаных грунтов определяется ситовым методом без промывки водой или с промывкой водой для выявления содержания пылеватых и глинистых частиц.

Физические характеристики необходимы для определения наименования, степени неоднородности, плотности сложения, степени водонасыщенности, фильтрационной способности песчаного грунта и его расчетного (условного) сопротивления, т. е. несущей способности.

1.2. Определение гранулометрического состава
песчаного грунта ситовым методом

Необходимое оборудование: набор сит с размерами отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм; весы лабораторные с разновесами, чашка фарфоровая, ступка, пестик с резиновым наконечником.

• Подготовка к испытанию

1. Собрать сита с размерами отверстий от 0,1 до 10 мм в колонку, размещая их от поддона вверх в порядке увеличения размера отверстий.

2. Отобрать среднюю пробу песчаного грунта для анализа методом квартования. Для этого грунт в воздушно-сухом состоянии рассыпают тонким слоем на лист плотной бумаги и делят линейкой на квадраты. Из каждого квадрата отбирают порциями грунт в фарфоровую чашку. Масса средней пробы должна составлять:

– для грунта, не содержащего частиц крупнее 2 мм, 100 г;

– для грунта, содержащего до 10 % частиц крупнее 2 мм, 500 г;

– для грунта, содержащего свыше 30 % частиц крупнее 2 мм, не менее 2000 г.

В лабораторной работе рекомендуется принимать массу пробы 500 г.

• Порядок выполнения работы

1. Отобранную пробу грунта высыпают на верхнее сито колонки и закрывают сверху крышкой. Колонку сит встряхивают с легким боковым постукиванием ладонями рук до полного просеивания грунта.

Фракции грунта, оставшиеся на ситах, поочередно, начиная с верхнего сита, высыпают в фарфоровую чашку и дополнительно растирают пестиком с резиновым наконечником (не допуская разрушения отдельных зерен). Затем вновь просеивают. Полноту просеива­ния проверяют встряхиванием каждого сита отдельно над листом бумаги. Если при этом на лист выпадают частицы, то их высыпают на следующее сито.

2. Остатки грунта на каждом сите и в поддоне после просеивания взвешивают с точностью до 0,01 г. Затем массы всех фракций грунта суммируют. Полученная сумма не должна отличаться от общей массы, взятой для анализа пробы более чем на 1 %. В противном случае анализ следует повторить. Потерю грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропорционально их массе. Результаты анализа записывают в таблицу журнала.

• Обработка результатов

1. 
   Содержание в грунте каждой фракции в процентах вычисляют по формуле
   

А = 100, (1.1)
где m_ф – масса фракций, г; m_п – масса пробы, г.

Результаты вычислений заносят в журнал.

2. По процентному содержанию отдельных фракций в составе грунта, пользуясь табл. 1.1, определяют разновидность песчаного грунта.

3. По результатам ситового анализа вычисляют суммарное содержание всех фракций, %, меньше определенного размера частиц. По этим данным строится график гранулометрического (зернового) состава (рис. 1.1). На графике по оси абсцисс в логарифмическом масштабе откладываются значения диаметров частиц, а по оси ординат суммарное содержание всех частиц, %, меньше принятых диаметров, начиная с самой мелкой фракции.


Размер фракций, мм
Рис. 1.1. График гранулометрического состава

4. Пользуясь кривой гранулометрического состава, определяют степень неоднородности грунта по формуле
С_v = , (1.2)
где d₆₀ – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 60 % частиц; d₁₀ – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 10 % частиц (эффективный диаметр).

Значения d₆₀ и d₁₀ определяют путем опускания перпендикуляров на ось абсцисс из точек пересечения горизонтальных линий, соответствующих суммарному содержанию фракций 60 % и 10 % с кривой гранулометрического состава.

При С_v < 3 грунт считается однородным.

При С_v 3 грунт считается неоднородным.

1.3. Определение плотности песчаного грунта
методом мерных цилиндров

Плотностью грунта  называется отношение массы образца грунта к его объему. Различают плотность грунта ненарушенного (природного) сложения и нарушенного (заданного) сложения. В лабораторной работе определяется плотность песчаного грунта заданного сложения. Необходимое оборудование: мерный металлический цилиндр объемом 500 см³, весы лабораторные с разновесами, совок, деревянная трамбовка, линейка.

• Порядок выполнения работы

1. Определяют массу мерного цилиндра.

2. Заполняют цилиндр небольшими порциями подготовленного для анализа песка, уплотняя его деревянной трамбовкой. Излишек песка сдвигают линейкой, выравнивая его поверхность с краями цилиндра.

3. Определяют массу цилиндра с песком.

4. Повторяют опыт не менее двух раз.

Результаты взвешиваний записывают в журнал.

• Обработка результатов

Плотность песчаного грунта, г/см³, определяют по формуле
 , (1.3)
где m – масса пустого цилиндра, г; m₁ – масса цилиндра с песком, г; V – объем цилиндра, см³.

По данным нескольких опытов определяют среднее значение плотности песчаного грунта.

1.4. Определение вычисляемых характеристик грунта

Характеристики, определяемые непосредственно при испытаниях, называются основными, исходными. Для песчаных грунтов к ним, кроме гранулометрического состава, степени неоднородности и плотности, относятся плотность частиц грунта _s и влажность грунта w (см. лабораторную работу № 2). К вычисляемым (производным) относятся следующие характеристики.

1. Плотность сухого (скелета) грунта _d – отношение массы сухого грунта ко всему объему грунта. Плотность сухого грунта вычисляется по формуле

_d = , (1.4)
где  – плотность грунта, г/см³; w – влажность грунта (задается преподавателем).

2. 
   Пористость грунта n – отношение объема пор в образце к объему самого образца. Пористость вычисляется по формуле
   

n = (1 – ) 100 %. (1.5)

3. 
   Коэффициент пористости е – отношение объема пор в образце к объему твердых минеральных частиц грунта. Коэффициент пористости вычисляется по формуле
   

е = – 1 (1.6)

или

е = . (1.7)
4. Коэффициент водонасыщения S_r, д.е. – степень заполнения объема пор водой, определяется по формуле
S_r = , (1.8)
где _w – плотность воды, которую принимают равной 1 г/см³.

Разновидность песчаного грунта по плотности сложения определяется согласно нормам по табл. 1.2.

По степени плотности J_D пески подразделяют согласно табл. 1.3.

Разновидности песчаного грунта по коэффициенту водонасыщения определяются согласно нормам по табл. 1.4.

Таблица 1.2

Виды песков по плотности их сложения

Разновидность песков	Коэффициент пористости е
	Пески гравелистые, крупные и средней крупности	Пески мелкие	Пески пылеватые
Плотный	Менее 0,55	Менее 0,60	Менее 0,60
Средней плотности	От 0,55 до 0,70 вкл.	От 0,60 до 0,75 вкл.	От 0,60 до 0,80 вкл.
Рыхлый	Свыше 0,70	Свыше 0,75	Свыше 0,80

Таблица 1.3

Виды песков по степени плотности

Разновидность песков	Степень плотности JD, д.е.
Слабоуплотненный Среднеуплотненный Сильноуплотненный	От 0 до 0,33 вкл. Свыше 0,33 до 0,66 вкл. Свыше 0,66 до 1 вкл.

Таблица 1.4

Разновидности по коэффициенту водонасыщения

Разновидность грунтов	Коэффициент водонасыщения Sr, д.е.
Малой степени водонасыщения Средней степени водонасыщения Насыщенные водой	От 0 до 0,50 вкл. Свыше 0,50 до 0,80 вкл. Свыше 0,80 до 1 вкл.

1.5. Определение угла естественного откоса песчаного грунта

• Общие понятия

Углом естественного откоса называется угол, при котором неукрепленный откос песчаного грунта сохраняет равновесие, или угол между об­разующей откоса свободно насыпанной массы песка и горизонталью.

Угол естественного откоса определяют в воздушно-сухом состоянии и под водой. В воздушно-сухом состоянии он колеблется в пределах  = 30  40; под водой  = 20  33. Определение угла естественного откоса производится с помощью прибора УВТ-2. Прибор УВТ-2 состоит из мерительного столика, обоймы и резервуара. Мерительный столик представляет собой диск, установленный на трех опорах. Столик имеет мелкие отверстия диаметром 0,8–1 мм. Шкала, укрепленная в центре столика, имеет деления от 5 до 45. Каждое деление соответствует одному градусу в угловой мере. На мерительном столике установлена обойма конической формы, которая служит для ограждения насыпаемого на столик песка. Резервуар представляет собой стеклянный цилиндр высотой 120 мм и диаметром 180 мм.

• Подготовка к испытанию

Образец песчаного грунта доводят до воздушно-сухого состояния и методом квартования отбирают пробу массой около 1 кг.

• Порядок выполнения работы

1. Устанавливают резервуар на ровную поверхность и помещают в него мерительный столик со шкалой.

2. На столик устанавливают обойму, в которую совочком насыпают песок до ее заполнения, уплотняя постукиванием по обойме.

3. Берут большим и средним пальцами руки горловину обоймы, а указательным пальцем упираются в головку шкалы. Осторожно, по возможности вертикально, снимают обойму. По вершине образовавшегося конуса песка берут отсчет по вертикальной шкале в градусах, который и будет искомым углом естественного откоса.

4. Опыт повторяют 23 раза с таким расчетом, чтобы расхождение между результатами составляло не более 1. Определяют среднее ариф­метическое значение угла естественного откоса. Результаты записывают в журнал.

1.6. Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта

• Общие понятия

Фильтрацией называется движение воды в грунтах под действием сил тяжести и разности напоров. Фильтрационные свойства грунтов при их водопроницаемости характеризуются коэффициентом фильтрации К_ф, см/с; м/с; м/сут. Коэффициентом фильтрации называется скорость движения воды в грунте при напорном гидравлическом градиенте, равном 1. Определение коэффициента фильтрации производится различными лабораторными методами, а более надежно – полевыми методами. Коэффициент фильтрации используется для определения притока воды в котлован, к дренажным и водозаборным устройствам, для расчетов осадки фундаментов во времени, фильтрационных потерь воды через земляные сооружения и т. д. Значения коэффициента фильтрации у песчаного грунта колеблются в пределах 10^-110^-3 см/с.

В лаборатории коэффициент фильтрации определяют с помощью прибора КФ-01. Прибор состоит из мерного стеклянного цилиндра и металлической трубки, снабженной верхней и нижней крышками. Мерный цилиндр объемом 100 см³ имеет суженное горлышко и устанавливается на грунт через верхнюю крышку. Металлическая трубка представляет собой цилиндр диаметром 5060 мм и длиной 110120 мм. Один конец металлической трубки скошен и остро отточен. Нижняя крышка имеет дырчатое дно и покрыта сеткой.

Необходимое оборудование: КФ-01, батарейная банка, кристаллизатор, термометр, секундомер.

• Подготовка к испытанию

1. При испытании песчаных грунтов нарушенного сложения надевают на трубку нижнюю крышку и наполняют ее грунтом. Сверху кладут сетку и надевают верхнюю крышку.

2. Трубку с грунтом устанавливают в банку и постепенно наливают в нее воду. Грунт насыщается водой снизу вверх.

3. После того, как вода появится в трубке над грунтом, насыщение его заканчивают. Ставят трубку в кристаллизатор.

• Порядок выполнения работы

1. Измеряют температуру воды, приготовленной для фильтрации.

2. Наполняют водой мерный стеклянный цилиндр и, быстро опрокинув его, укрепляют в верхней крышке так, чтобы горлышко цилиндра опиралось непосредственно на подготовленный к испытанию грунт. В таком положении мерный цилиндр автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды в 1–2 мм. Как только этот уровень вследствие фильтрации воды через грунт понизится, в мерный цилиндр прорывается пузырек воздуха, и соответствующее количество воды вытечет из него. Этим достигается постоянство напорного градиента, так как напор равен пути фильтрации.

3. Опуская и поднимая на 1–2 мм мерный цилиндр, добиваются того, чтобы в цилиндре равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха. По дос­­тижении указанных условий отмечают на шкале уровень воды в мерном ци­линдре и пускают секундомер. Расход воды Q, профильтровавшийся через грунт, должен быть не менее 50 м³. Замечают время, за которое профильтровался принятый объем воды. Результаты испытания записывают в журнал.

• Обработка результатов

1. 
   Коэффициент фильтрации К_ф, м/с, при данной температуре воды вычисляют по формуле
   

К_ф = , (1.9)
где Q – объем профильтровавшейся воды, см³; t – время фильтрации, с; F – площадь поперечного сечения металлической трубки, см³; 100 – переводной коэффициент.

2. Коэффициент фильтрации приводится к стандартной температуре t_w = 10 C по формуле
К_ф10 = 86,4  10³ , (1.10)
где  – температурная поправка, определяемая по ГОСТ 25584-90 «Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации» в зависимости от температуры воды; 86,4  10³ – переводной коэффициент.

Результаты вычислений записывают в журнал.

По окончании лабораторной работы устанавливается полное наименование и состояние песчаного грунта (по гранулометрическому составу, степени неоднородности, плотности сложения, степени водонасыщения), а также расчетное сопротивление по табл. 1.5 при проектировании оснований зданий и сооружений или условное сопротивление по табл. 1.6 при проектировании оснований мостов и труб.

Таблица 1.5

Расчетные сопротивления R₀ песчаных грунтов основания

Пески	Значения R0, кПа, в зависимости от плотности сложения песков
	Плотные	Средней плотности
Крупные Средней крупности Мелкие: маловлажные влажные и насыщенные водой Пылеватые: маловлажные влажные насыщенные водой	600 500 400 300 300 200 150	500 400 300 200 250 150 100

Таблица 1.6

Условное сопротивление песчаных грунтов

Песчаные грунты и их влажность	Условное сопротивление R0, кПа, песчаных грунтов средней плотности в основаниях
Гравелистые и крупные независимо от их влажности Средней крупности: маловлажные влажные и насыщенные водой Мелкие: маловлажные влажные и насыщенные водой Пылеватые: маловлажные влажные насыщенные водой	343 294 245 196 147 196 147 98

Примечание. Для плотных песков приведенные значения следует увеличивать на 100 %, если их плотность определена статическим зондированием, и на 60 %, если их плотность определена по результатам лабораторных испытаний грунтов.
Вопросы для самоконтроля

1. Что называется гранулометрическим составом грунта?

2. Как производится отбор пробы для определения физических характеристик песчаного грунта?

3. Какие существуют методы определения гранулометрического состава песчаного грунта?

4. 
   Как определяется наименование песчаного грунта?
   
5. 
   Как определяется степень неоднородности песчаного грунта?
   
6. 
   Что такое плотность грунта, плотность частиц грунта, плотность сухого грунта ?
   
7. 
   Как определяется плотность песчаного грунта?
   

8. Что такое пористость и коэффициент пористости грунта? Как они определяются и где используются?

9. Как определяется плотность сложения песчаного грунта?

10. Что такое коэффициент водонасыщения и для чего он определяется?

11. Что необходимо знать для определения расчетного или условного сопротивления грунта ?

12. Что такое угол естественного откоса песчаного грунта, как он определяется и для чего используется?

13. Что такое коэффициент фильтрации грунта, как он определяется и где используется ?

1.7. Задачи и решения

Задача 1. Определить наименование, плотность сложения, степень влажности и расчетное (условное) сопротивление песчаного грунта, если в результате анализа были получены следующие характеристики.

Гранулометрический состав:

Размер частиц, мм	10–15	5–2	2–1	1–1,05	0,5–0,25	0,25–0,1	0,1
Содержание, %	2	9	10	12	16	30	21

Плотность частиц _s = 2,66 г/см³, плотность грунта  = 1,80 г/см³, влажность w = 0,1.

Решение

1. Пользуясь табл. 1.1, последовательно суммируя содержание частиц в процентах от более крупных к мелким, устанавливаем, что это мелкий песок, так как масса частиц крупнее 0,1 мм составляет 79 % или более 75 %.

2. Определяем плотность сухого грунта по формуле (1.4)
= = = 1,64 г/см³.

3. 
   Определяем коэффициент пористости грунта по формуле (1.6)
   

е = – 1 = – 1 = 0,62.
По табл. 1.2 устанавливаем, что данный песок имеет среднюю плотность сложения.

4. Определяем коэффициент водонасыщения грунта по формуле (1.8)
S_r = = = 0,43.
Пользуясь табл. 1.4, устанавливаем, что данный песок малой степени водонасыщения.

5. Определяем расчетное сопротивление мелкого маловлажного песка средней плотности сложения по табл. 1.5 R₀ = 300 кПа.

Условное сопротивление этого грунта по табл. 1.6 R₀ = 196 кПа.

Задача 2. Плотность сыпучего грунта при влажности w₁ = 0,06 составляет _ = 1,7 т/м³. Определить плотность того же грунта при увеличении влажности до w₂ = 0,25.

Решение

1. Определяем плотность сухого грунта по формуле (1.4)
_d = = = 1,6 т/м³.

2. 
   Определяем плотность этого грунта при влажности w₂ = 0,25 по формуле
   

₂ = _d (1+w₂) = 1,6 (1+0,25) = 2,0 т/м³.
Задача 3. Плотность сухого песка _d = 1,6 т/м³. Чему будет равна плотность этого грунта при полном его водонасыщении, если плотность частиц _s = 2,68 т/м³.

Решение

1. Определяем пористость грунта по формуле (1.5)
n = 1 – = 1 – = 0,4.
В 1 м³ сухого песка объем пор составляет 0,4 м³. При полном водонасыщении песка объем воды в этих порах также будет равен 0,4 м³, а масса воды m_w = 0,4 т.

2. 
   Определяем плотность водонасыщенного песка по формуле
   

=_d + m_w = 1,6 + 0,4 = 2 т/м³.
Задача 4. Определить коэффициент фильтрации песчаного грунта, если при испытании его на приборе КФ-01 при площади поперечного сечения трубки F = 25 см² за время t = 110 с через песок профильтровался объем воды Q = 80 см³ при температуре t_w = 18 ⁰C.

Решение

1. Определяем коэффициент фильтрации песчаного грунта по формуле (1.9) при данной температуре воды
К_ф = = = 0,00029 м/сутки.

2. 
   Определяем коэффициент фильтрации этого грунта при стандартной температуре воды t_w = 10 C по формуле (1.10). Температурная поправка  = 1,24
   

К_ф10 = 86,4  10³ = 86,4  10³ = 20,2 м/cутки.