Определение физических свойств мерзлых грунтов. ЛР 1 - Определение физических и водно-физических свойств мерзлых. Учебнометодическое пособие к лабораторным работам Определение физических свойств мерзлых грунтов и Определение воднофизических свойств мерзлых грунтов
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» Учебно-методическое пособие к лабораторным работам «Определение физических свойств мерзлых грунтов» и «Определение водно-физических свойств мерзлых грунтов» по дисциплине «Механика грунтов в трубопроводном строительстве, основания и фундаменты» Уфа 2018 Учебно-методическое пособие предназначено для студентов высших учебных заведений очной и заочной форм обучения по направлению подготовки бакалавров 21.03.01 «Нефтегазовое дело» по профилю «Сооружение и ремонт объектов систем трубопроводного транспорта» при проведении лабораторных работ по дисциплине «Механика грунтов в трубопроводном строительстве, основания и фундаменты». Публикуется в авторской редакции. Составители: Рафиков С.К., к.т.н., доц. каф. СТ Сагадеева А.Д., ст. гр. БСТ-15-02 Рецензенты: Шарнина Г.С., к.т.н., доц. каф. СТ Гильметдинов Р.Ф., к.т.н., доц. каф. СТ © ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» 2018 СОДЕРЖАНИЕ Лабораторно-практическая работа №1 Определение физических свойств мерзлых грунтов……………………………...2 1. Определение влажности грунтов………………………….............................2 2. Определение удельного веса частиц грунтов……………….........................7 3. Определение удельного веса грунта……………………………..................11 Контрольные вопросы к лабораторной работе № 1……………………………...16 Лабораторно-практическая работа №2 Определение водно-физических свойств мерзлых грунтов……………….….…18 1. Определение размокаемости……………………………..............................18 2. Определение набухания грунта …………………………….........................22 3. Определение морозного пучения…………………………...........................26 4. Определение коэффициента фильтрации………….…………………….…30 Контрольные вопросы к лабораторной работе № 2……………………………...31 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………….………………………………32 2 Лабораторно-практическая работа №1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ 1. Определение влажности грунтов 1.1 Общие положения Влажность грунта характеризуется количеством воды, удаляемой из него в результате температурной обработки при t =100–105°С до получения постоянной массы грунта. Естественной (природной) влажностью называется влажность грунта в условиях его естественного залегания. В зависимости от способа выражения влажности грунта и принятых единиц измерения различают весовую W, объемную W 0 влажности и индекс водонасыщения I w обычных или талых грунтов. Итак, весовая влажность – это отношение веса воды, испарившейся из образца при высушивании при температуре 100 – 105°С, к весу образца после его высушивания. Весовую влажность принято выражать в долях единицы или в процентах. Объемная влажность грунта представляет собой отношение объема воды, содержащейся в грунте, ко всему объему грунта. Объемная влажность связана с весовой влажностью грунта следующим соотношением: (1.1) где – удельный вес сухого грунта (удельный вес скелета грунта), Н/м 3 Индексом водонасыщенности I w называют отношение объема воды в грунте к объему пор, выраженное в долях единицы. Его называют также коэффициентом водонасыщения в связи с тем, что она характеризует степень 3 заполнения пор водой. Индекс водонасыщенности может изменяться от нуля, в случае абсолютно сухого грунта до 1 – полностью водонасыщенный грунт. В некоторых случаях индекс водонасыщенности может даже превосходить 1 за счет того, что некоторые грунты при нагревании до определенной температуры теряют часть воды, входящей в кристаллическую решетку. Существует несколько формул для определения индекса водонасыщенности грунта: ; (1.2) ; (1.3) , (1.4) где – весовая влажность, %; n – пористость, %; ε – коэффициент пористости; γ d – удельный вес скелета грунта, Н/м 3 ; γ – удельный вес грунта, Н/м 3 Здесь же следует учесть, что понятие суммарной влажности грунта, справедливое для описания характеристики мерзлых грунтов, при описании свойств обычных или талых грунтов не совсем уместно. Поэтому здесь и в дальнейшем следует употреблять термин “весовая влажность”. 1.2 Приборы и оборудования 1.2.1 Сушильный шкаф с терморегулятором и контрольным термометром. 1.2.2 Сосуды с плотно закрывающимися крышками (стаканчики для взвешивания, чашки Петри, кристаллизаторы и т. п.). 1.2.3 Лабораторные весы, обеспечивающие погрешность взвешивания не более 0,1% массы взвешиваемой пробы грунта. 1.2.4 Эксикаторы с веществом, поглощающим пары воды, например, с хлористым кальцием. 4 1.2.5 Щипцы для тиглей. 1.2.6 Шпатель. 1.2.7 Пикнометр. 1.2.8 Мерная колба (для грунтов с размером отдельных зерен более 2 мм). 1.2.9 Песчаная баня. 1.2.10 Технические весы. 1.2.11 Термометр с ценой деления шкалы 0,1°С. 1.3 Термостатный метод 1.3.1 В заранее взвешенную тару помещают пробу грунта, после чего закрывают его крышкой и взвешивают (масса q 1 ). 1.3.2 Образец грунта в сосуде с открытой крышкой ставят в сушильный шкаф, где грунт высушивается при температуре 100 – 105°С до постоянной массы. Высушивание торфов производится при температуре 60 – 80°С. 1.3.3 Первичное высушивание глинистых грунтов и торфов производят в течение 5 ч, песчаных и крупнообломочных грунтов 1 – 2 ч. 1.3.4 После окончания высушивания сосуд (тару) с пробой грунта закрывают крышкой и помещают в эксикатор для охлаждения до комнатной температуры. 1.3.5 Охлажденный сосуд с грунтом вновь взвешивают. 1.3.6 Попеременное высушивание и взвешивание повторяют до тех пор, пока разница между двумя последующими взвешиваниями не будет превышать 0,2% массы навески пробы грунта. 1.3.7 В качестве результата принимается наименьшая масса сосуда грунтом q 2 1.3.8 Влажность грунта в долях единицы рассчитывают по формуле: , (1.5) где q 0 – масса пустого сосуда (тары) с крышкой. 5 1.3.9 Расчет влажности производят с точностью до 0,001. 1.3.10 Произвести не менее двух параллельных определений и принять среднее арифметическое значение влажности грунта. 1.4 Определение влажности грунта с помощью пикнометра (гидростатический метод) 1.4.1 До проведения испытаний тарируют пикнометр или мерную колбу. 1.4.2 Для установления их объема в заранее взвешенный пикнометр или мерную колбу наливают воду до мерной части на горлышке (масса g 1 ). 1.4.3 Замеряют температуру наливаемой воды с погрешностью не более 0,1°С, после чего взвешивают пикнометр (мерную колбу) с водой с погрешностью не более 0,01 г (масса g 2 ). Здесь следует учесть, что пикнометр или мерную колбу следует брать только за горлышко во избежание нагревания воды. 1.4.4 Вычтя g 1 из g 2 , получают g 3 – масса воды в пикнометре. Разделив полученную величину на плотность воды при температуре наполнения пикнометра (табл. 1), получают объем воды, т.е. объем пикнометра V 1 , с погрешностью не более 0,001 см 3 при температуре воды 4°С. 1.4.5 Для получения более точных измерений объем пикнометра определяют трижды и для вычислений берут среднее из этих трех определений. 1.4.6 В высушенные и взвешенные пикнометры помещают грунт. При этом на каждые 100 см 3 объема пикнометра берется: торфа примерно 5 г, минерального грунта, содержащего зерна не крупнее 2 мм, 10 – 15 г, а содержащего отдельные зерна размером 2 – 20 мм, 20 – 25 г. 1.4.7 Пикнометр с грунтом взвешивают с погрешностью не более 0,1% массы взвешиваемой пробы грунта g 4 . Вычитая из последней массу пустого пикнометра g 1 , находят массу влажного грунта. 6 1.4.8 В пикнометр с грунтом наливают 0,3 – 0,5 его объема воды, несколько раз взбалтывают содержимое и кипятят на песчаной бане в течение 30 мин для удаления из грунта воздуха. 1.4.9 По окончании кипячения пикнометр охлаждают, доливают воду до мернoй черты на горлышке, взвешивают (масса g 5 ) и измеряют температуру суспензии с погрешностью не более 0,1°С. 1.4.10 Вычитая из массы g 5 массу g 4 , получают массу воды g 6, а затем, разделив полученную массу воды на ее плотность при замеренной температуре суспензии, находят объем воды V 2 . Вычитая V 2 из объема пикнометра V 1 , устанавливают объем V взятого для испытания грунта (объем скелета грунта + объем воды, содержащейся в грунте). 1.4.11 Вычисляют удельный вес влажного грунта с точностью до 0,01: . (1.6) 1.4.12 Вычисляют влажность испытуемого грунта: . (1.7) Т а б л и ц a 1 – Плотность воды при различных температурах. Температура, °С Плотность, г/см 3 Температура, °С Плотность, г/см 3 Температура, °С Плотность, г/см 3 10 0,999727 18 0,998621 26 0,996808 11 0,999632 19 0,998430 27 0,996538 12 0,999524 20 0,998229 28 0,996258 13 0,999404 21 0,998017 29 0,995969 14 0,999271 22 0,997795 30 0,995672 15 0,999126 23 0,997563 31 0,995366 16 0,998969 24 0,997321 32 0,995051 17 0,998800 25 0,997069 33 0,994728 7 2. Определение удельного веса частиц грунтов 2.1 Общие положения Удельным весом частиц грунтов называется отношение массы скелета грунта к объему его частиц. Масса скелета грунта определяется непосредственно взвешиванием, а объем частиц в образце определяется взвешиванием грунта в мерном сосуде (пикнометра или мерной колбе объемом не менее 100 см 3 ) с испытательной жидкостью. В качестве испытательной жидкости при определении плотности незасоленных грунтов и торфа применяют дистиллированную воду, а засоленных грунтов и грунтов с большим содержанием коллоидальных частиц – обезвоженный керосин. Перед определением удельного веса мерные сосуды тарируют, т.е. устанавливают их объем. Все взвешивания в процессе установления удельной плотности грунта производят с погрешностью не более 0,01 г. Определение удельного веса грунта проводят не менее двух раз. Расхождение результатов параллельных определений более чем на 0,02 г/см 3 не допускается. За удельный вес образца грунта принимают среднее арифметическое значение результатов параллельных определений. 2.2 Приборы и оборудования 2.2.1 Мерные сосуды (пикнометры, колбы). 2.2.2 Вакуумная установка (вакуум–эксикатор). 2.2.3 Песчаная баня. 2.2.4 Ареометр (денcитометр). 2.2.5 Термометр с ценой деления 0,1°С. 2.2.6 Сита с размером отверстий 2 и 10 мм. 8 2.2.7 Фарфоровая ступка с пестиком, снабженным резиновым наконечником. 2.2.8 Воронка. 2.2.9 Испытательная жидкость. 2.2.10 Ванна для термостатирования. 2.2.11 Фильтровальная бумага и оборудование для определения влажности. 2.3 Определение удельного веса частиц незасоленных грунтов и торфа 2.3.1 Образец грунта в воздушно–сухом состоянии растирают (без дробления зерен) в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником. 2.3.2 Растертый грунт распределяют равномерным слоем толщиной 0,5 – 1 см на листе фанеры или плотной бумаге и отбирают квартованием среднюю пробу массой 100 – 200 г, которую просеивают через сито с отверстиями 2 мм. 2.3.3 Из просеянной и тщательно перемешанной пробы берут в сушильный стаканчик навеску грунта для определения его удельного веса. При этом на каждые 100 см 3 объема пикнометра (колбы) навеску принимают примерно 15 г для минеральных грунтов и 5 г для торфа. 2.3.4 Навеску грунта высушивают в сушильном шкафу при температуре 100 – 150°С до постоянной массы. 2.3.5 В протарированный сухой пикнометр (его масса g 1 ) через воронку высыпают высушенную навеску грунта. Пикнометр с грунтом взвешивают (масса g 2 ). Вычитая g 1 из g 2 , получают массу скелета грунта g 3 2.3.6 В пикнометр с грунтом наливают кипяченую дистиллированную воду примерно на 0,3 – 0,5 его объема. Взбалтывают содержимое и удаляют воздух из образовавшейся суспензии кипячением в течение 1 ч на песчаной бане, не допуская разбрызгивания. 9 2.3.7 В пикнометр доливают до мерной черты на горлышке кипяченую дистиллированную воду, а в случае применения пикнометра с капилляром в пробке – до шейки пикнометра, и охлаждают пикнометр с суспензией до комнатной температуры в ванне с водой, после чего замеряют температуру суспензии в пикнометре с погрешностью не более 0,5°С. 2.3.8 Нижний край мениска устанавливают на уровне мерной черты, добавляя в пикнометр по каплям кипяченую дистиллированную воду такой же температуры, как суспензия в пикнометре. 2.3.9 В случае применения пикнометра с капилляром в пробке воду доливают примерно до середины шейки пикнометра. 2.3.10 Закрыв пикнометр пробкой, удаляют фильтровальной бумагой выступающую из пикнометра воду так, чтобы край мениска был на уровне верхнего конца капилляра в пробке, проверяют отсутствие пузырьков воздуха под пробкой, слегка наклоняя пикнометр. 2.3.11 Тщательно вытирают пикнометр снаружи фильтровальной бумагой. 2.3.12 Взвесив пикнометр с суспензией, определяют массу пикнометра с грунтом и водой g 3 2.3.13 Вычитая из массы пикнометра с грунтом и водой g 3 массу пикнометра с грунтом g 2 , устанавливают массу воды в пикнометре g 4 2.3.14 Разделив полученную массу воды на плотность (табл. 1) при замеренной температуре суспензии, определяют объем воды в пикнометpе. 2.3.15 Вычитая из объема пикнометра V, установленного при его тарировке, объем воды V 1 , находят объем скелета грунта V s , взятого для испытания. 2.3.16 Рассчитывают удельный вес частиц грунта: . (2.1) 10 2.4 Определение удельного веса частиц засоленных грунтов и грунтов с большим содержанием коллоидальных частиц (высокоактивных глин) 2.4.1 Подготовка образца осуществляется так же, как и в случае незасоленных грунтов. 2.4.2 Высыпают высушенную навеску грунта (масса g 1 ), взвешивают пикнометр с грунтом (масса g 2 ). 2.4.3 Вычитая g 1 из g 2 , устанавливают массу скелета грунта g s в пикнометре. 2.4.4 В пикнометре с грунтом наливают обезвоженный керосин примерно на половину его объема. 2.4.5 Затем выполняют последовательно операции, указанные в ходе определения удельного веса для незасоленных грунтов, применяя керосин вместо дистиллированной воды и вакуумирование вместо кипячения. 2.4.6 Вакуумирование проводят до прекращения выделения пузырьков, но не менее 1 ч. 2.4.7 Перед наполнением пикнометра керосином плотность керосина измеряют apеометром. 2.4.8 Взвесив пикнометр с суспензией, устанавливают массу пикнометра с грунтом и керосином g 3 2.4.9 Вычитая из g 3 массу пикнометра с грунтом g 2 , определяют массу керосина в пикнометре g 4 2.4.10 Разделив массу керосина в пикнометре на плотность керосина (при замеренной температуре суспензии), получают объем керосина в пикнометре. 2.4.11 Вычитая из объема пикнометра V, установленного при его тарировке, объем керосина V 1 в пикнометре, находят объем скелета грунта V s , взятого для испытания. 2.4.12 Рассчитывают удельный вес грунта по формуле (2.1). 11 2.5 Определение удельного веса частиц крупнозернистых и гравелистых грунтов (с частицами до 10 мм) 2.5.1 Подготовка образца осуществляется так же, как и в случае незасоленных грунтов, но при этом применяется сито с отверстиями 10 мм. 2.5.2 Отобранную среднюю пробу грунта 100–200 г высушивают до постоянной массы (см. термостатный метод). 2.5.3 В сухую взвешенную (масса g 1 ) и протарированную колбу объемом 1000 см 3 высыпают высушенную среднюю пробу грунта. 2.5.4 Взвешивают мерную колбу с грунтом (масса g 2 ) и, вычитая из массы колбы с грунтом массу пустой колбы, определяют массу сухого грунта. 2.5.5 Выполняют операции, указанные в ходе определения удельного веса для незасоленных грунтов, и по установленной в процессе испытания массе скелета грунта g s и его объему V s вычисляют удельный вес грунта , пользуясь формулой (2.1). 3. Определение удельного веса грунта 3.1 Общие положения Удельный вес – один из важнейших показателей физических свойств грунтов, определяющий структурные особенности грунта, а также его инженерно-геологические свойства. Различают удельный вес влажного грунта (или просто удельный вес) и удельный вес сухого грунта (скелета грунта). Удельный вес грунта γ – это отношение массы влажного образца грунта g к его объему V. Удельный вес сухого грунта γ d – это отношение массы сухого образца грунта g s к его полному объему. 12 Масса влажного и сухого образцов грунта определяется взвешиванием с погрешностью не более 0,1% массы образца. Под влажным состоянием грунта здесь подразумевается влажность такая же, как и в условиях естественного залегания. При испытаниях должны учитываться вышеизложенные положения относительно отбора образцов грунта, а также высушивание проб. Объем образца грунта определяется в зависимости от гранулометрического состава грунта и его консистенции. Для определения объема и удельного веса существуют методы: – режущего кольца; – гидростатического взвешивания образца, покрытого парафином; – с применением плотномера-влагомера конструкции А. П. Ковалева; – лунки; – радиометрический. Метод режущего кольца применяется для связных грунтов, а также в тех случаях, когда объем и форма отбираемого образца грунта могут быть сохранены только при помощи жесткой обоймы. Удельный вес песчаных грунтов ненарушенного сложения и природной влажности определяют на месте отбора образца методом режущего кольца. Метод гидростатического взвешивания образца грунта, покрытого парафином, используют для связных грунтов (с отдельными зернами не более 5 мм), трудно поддающихся вырезке или склонных к крошению. Количество параллельных определений удельного веса устанавливают в зависимости от степени неоднородности грунта (но не менее двух). Расхождение результатов параллельных испытаний для однородных грунтов не должно превосходить 0,03 г/см 3 . За удельный вес грунта принимают среднее арифметическое значение результатов параллельных определений, выраженное с погрешностью не более 0,01 г/см 3 . В случае неоднородных и водонасыщенных грунтов расхождение результатов параллельных определений удельного веса может превышать 0,03 г/см 3 . Среднее арифметическое значение 13 при этом следует сопровождать крайними значениями результатов определений (например, 1,75 г/см 3 – 1,7/1,8 г/см 3 ). Наряду с результатами определения удельного веса необходимо указывать метод определения, сложение грунта (ненарушенное природное, грунт на теле насыпи и т. д.), а также влажность грунта, при которой проводилось определение. 3.2 Приборы и оборудования 3.2.1 Режущие кольца из нержавеющей стали с кольцами-насадками и направляющими (внутренний диаметр режущих колец не менее 50 мм для глинистых грунтов, 70 мм для пылеватых, мелко- и среднезернистых песков и 100 мм для крупнозернистых и гравелистых песков; высота кольца не более одного и не менее половины его диаметра; толщина стенок не более 0,02 диаметра, но не менее 1,5 мм; минимальный объем 50 см 3 ). 3.2.2 Режущее кольцо с внутренним диаметром 40 мм и толщиной стенок до 0,3 мм (допускается применять для однородных глинистых грунтов). 3.2.3 Стекла или пластинки с гладкой поверхностью из плексигласа или металла для покрытия кольца с грунтом. 3.2.4 Нож с прямым лезвием, длина которого должна превышать диаметр режущего кольца. 3.2.5 Лопаточка-мастерок. 3.2.6 Оборудование для определения влажности. 3.2.7 Гидростатические или технические весы с подстановкой к ним для взвешивания образца в воде. 3.2.8 Лабораторный стакан. 3.2.9 Нож. 3.2.10 Иголка. 3.2.11 Нитки. 3.2.12 Ванна с парафином. 14 3.2.13 Фильтровальная бумага и оборудование для определения влажности. 3.3 Метод режущего кольца 3.3.1 Штангенциркулем измеряют внутренний, внешний диаметр кольца и его высоту, после чего вычисляют объем кольца с погрешностью до 0,01 мм. 3.3.2 Взвешиванием определяют массу режущего кольца с погрешностью не более 0,1% взвешиваемой массы. 3.3.3 Подровняв ножом поверхность испытуемого грунта (в массиве или в монолите), ставят на него острым краем режущее кольцо. 3.3.4 Надевают на кольцо насадку и, придерживая ее рукой, вырезают ножом столбик грунта высотой 1–2 см и диаметром, на 0,5 мм превышающим наружный диаметр кольца, одновременно слегка нажимают на насадку, заставляя грунт заходить внутрь до полного заполнения кольца. 3.3.5 В песчаные грунты, из которых не удается вырезать столбик, кольцо заделывают, используя направители типа пробоотборника конструкции СоюзДорНИИ, или конструкции И. М. Литвинова, или бура конструкции Н. А. Качинского. 3.3.6 Затем снимают насадку с кольца, срезают избыток грунта, выступающий над кольцом, зачищают ножом поверхность грунта вровень с торцом кольца и накрывают грунт стеклом или плексигласовой пластинкой, взвешенным заранее. 3.3.7 Подрезают столбик грунта примерно на 10 мм ниже режущего края кольца (если кольцо вдавливалось в песчаный грунт, то грунт вокруг кольца окалывают ножом) и подхватывают снизу лопаточкой-мастерком. 3.3.8 Перевертывают кольцо с грунтом, зачищают поверхность грунта вровень с режущим кроем кольца. Затем наружную поверхность кольца тщательно очищают от приставшего грунта и покрывают свободную 15 поверхность грунта заранее взвешенным стеклом или пластинкой из плексигласа или из металла. 3.3.9 Взвешивают кольцо с грунтом и покрывающими его стеклами или пластинками. 3.3.10 Определяют влажность грунта, содержащегося в кольце: для этого после высушивания отбирают не менее двух проб или высушивают весь грунт, находящийся в кольце, перенеся его в заранее взвешенную тару. 3.3.11 Удельный вес влажного грунта вычисляют по формуле: , (3.1) где m – масса кольца, г; m 1 – масса влажного образца с кольцом и покрывающими его стеклами или пластинками, г; m 2 – масса покрывающих стенок или пластинок, г; V – объем грунта в кольце, см 3 3.3.12 Удельный вес сухого грунта γ d вычисляют формуле: , (3.2) где W – влажность грунта, %. 3.4 Метод гидростатического взвешивания 3.4.1 Ножом вырезают образец грунта объемом не менее 30 см 3 по возможности правильной формы и взвешивают его (масса m). 3.4.2 Образец покрывают парафиновой оболочкой, погружая его в расплавленный парафин (с температурой 57 – 60°С) на 1 – 2 с сначала одним, а затем другим концом. 3.4.3 Пузырьки воздуха в застывшей парафиновой оболочке удаляют, прокалывая их и заглаживая место прокола нагретой иглой. 3.4.5 Повторным погружением образца в парафин наращивают парафиновый слой до 0,5 – 1 мм. 16 3.4.6 Образец в парафиновой оболочке взвешивают на технических весах на воздухе (масса m 1 ). 3.4.7 Определяют массу того же образца в воде (масса m 2 ). Для этого (если нет гидростатических весов) над чашей технических весов устанавливают подставку (в виде скамеечки) так, чтобы она не касалась чашки весов, и на нее ставят сосуд с водой. Образец перевязывают тонкой нитью, второй конец которой надевается на серьгу коромысла. Длина нити должна обеспечить полное погружение образца в воду. 3.4.8 Извлекают из воды запарафинированный образец, просушивают его фильтровальной бумагой и еще раз взвешивают на воздухе, чтобы убедиться, не проникла ли вода в образец. Если обнаружится увеличение его массы более чем на 0,02 г по сравнению с первоначальной массой, то образец забраковывают. 3.4.9 Определяют влажность образца грунта обычным путем: для этого с образца удаляют парафин и помещают его в заранее взвешенный сушильный стаканчик. 3.4.10 Удельный вес влажного грунта вычисляют по формуле: , (3.3) где m – масса образца грунта до парафинирования, г; m 1 – масса образца грунта с парафиновой оболочкой, г; m 2 – масса образца грунта в воде, г; γ п – удельный вес парафина, равный 0,9 г/см 3 ; γ w – удельный вес воды, равный 1 г/см 3 при температуре 20°С. 3.4.11 Удельный вес скелета грунта γ d вычисляют по формуле (3.2). Контрольные вопросы к лабораторной работе № 1 1. Весовая влажность грунта W. 2. Объемная влажность грунта W 0 17 3. Индекс водонасыщенности (степень влажности), I w (G). 4. Определение весовой влажности W термостатным методом. 5. Определение весовой влажности W с помощью пикнометра (гидростатический метод). 6. Определение удельного веса частиц грунта γ s 7. Определение удельного веса частиц γ s незасоленных грунтов и торфа. 8. Определение удельного веса частиц γ s засоленных грунтов и грунтов с большим содержанием коллоидальных частиц (высокоактивных глин). 9. Определение удельного веса частиц γ s крупнозернистых и гравелистых грунтов (с частицами до 10 мм). 10. Определение удельного веса грунта γ s (средней плотности) – определение и общее представление. 11. Определение удельного веса (средней плотности) методом режущего кольца. 12. Определение удельного веса (средней плотности) методом гидростатического взвешивания. 18 Лабораторно-практическая работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ 1. Определение размокаемости 1.1 Общие положения Размокаемость глинистых грунтов в воде является одним из показателей водоустойчивости этих грунтов. Под размокаемостью глинистых грунтов понимают их способность при насыщении водой терять связанность, т.е. переходит из твердого, полутвердого или пластичного состояния в текучее. Размокаемость грунтов зависит от целого ряда факторов: гранулометрического и химико-минерального состава, от характера связей между частицами и, безусловно, от влажности. В инженерно-геологической практике размокаемость грунта характеризуется скоростью размокания в воде и определяется испытанием грунта на водоустойчивость при погружении его в воду. Во время испытания грунта на размокаемость устанавливают следующие показатели: время, в течение которого образец грунта распадается, и характер распада, т.е. образование крупных или мелких комков, пыли и др. 1.2 Приборы и оборудования 1.2.1 Прибор ПРГ-1. 1.2.2 Часы. 1.2.3 Режущее кольцо (внутренний диаметр и высота равны 30 м), снабженное кольцом-насадкой. 1.2.4 Нож. 19 1.2.5 Сито с отверстиями 1 мм. 1.2.6 Фарфоровая и металлическая чашка. 1.2.7 Шпатель. 1.2.8 Оборудование для определения влажности. 1.3 Описание прибора ПРГ-1 1.3.1 Для определения размокаемости грунтов существует много приборов, из которых ниже будет рассмотрен один наиболее распространенный прибор ПРГ-1. 1.3.2 Этот прибор выпускает «Нефтеавтоматика» (г. Октябрьск, Башкирской АССР). Он широко применяется в лабораториях для получения данных о скорости и характере размокания грунтов ненарушенного сложения при естественной влажности, а также грунтов нарушенного сложения. 1.3.3 Корпус прибора изготовлен из прозрачного оргстекла, на котором нанесена шкала с делениями от 0 до 25. 1.3.4 На две опоры, изготовленные в виде лагер, устанавливается над корпусом свободно качающаяся ось. На оси с помощью гайки укреплены стрела и скобообразный рычаг. Правая часть рычага выполнена в виде дуги окружности, а левая – в виде эвольвенты, эволюта которой совпадает с осью качания. 1.3.5 Такая конструкция неравноплечевого рычага обеспечивает автоматическое уравновешивание и применение равномерной шкалы. 1.3.6 К дуговой части рычага подвешена с помощью гибкой связи сетка с квадратными отверстиями 10 × 10 мм, на которую устанавливается образец грунта. Эвольвентную часть рычага облегчает гибкая связь, на конце которой укреплена противовес. 1.3.7 Со стороны задней стенки корпуса прибора на оси с помощью гайки может быть укреплен рычаг с пишущим устройством для записи кривой размокания на барабане самописца. 20 1.3.8 Конструкция прибора показана на рисунке 1. Рисунок 1 – Прибор ПРГ-1 для определения размокаемости грунта: 1 – корпус; 2 – опоры; 3 – свободно качающаяся ось; 4 – гайка крепления стрелки и скобообразного рычага; 5 – стрелка; 6 – рычаг; 7 – гибкая связь; 8 – сетка с квадратными отверстиями 10х10 мм; 9 – противовес; 10 – шкала с делениями от 0 до 25 1.4 Подготовка образцов 1.4.1 Для определения размокаемости грунта ненарушенного сложения и естественной влажности из массива или монолита грунта отбирают образец с помощью режущего кольца. Одновременно отбирают пробы для определения влажности. 1.4.2 Кольцо с образцом взвешивают и определяют массу образца, вычитая из этого веса массу кольца. 1.4.3 Разделив массу образца грунта на его объем, устанавливают его удельный вес. 21 1.4.4 При определении размокаемости грунта нарушенного сложения грунт, растертый и просеянный через сито с отверстиями 1 мм, помещают в фарфоровую или металлическую чашку и заливают водой в таком количестве, чтобы в результате тщательного перемешивания получить пасту, которая при раскатывании не прилипала бы к рукам. 1.4.5 Приготовленную пасту грунта формуют так, чтобы в ней не образовывались воздушные полости. 1.4.6 Из этой пасты отбирают образец в режущее кольцо и проводят операции в обычном порядке. Затем извлекают из режущего кольца образец и проводят испытание его на размокаемость. 1.5 Порядок определения размокаемости 1.5.1 В корпус прибора наливают воду примерно на высоту 8 см и устанавливают стрелку на нулевую отметку шкалы. 1.5.2 Приподняв сетку левой рукой и оперев ее на край корпуса прибора, осторожно устанавливают на ней образец. 1.5.3 Затем придерживая рычаг, плавно погружают сетку с образцом в воду и записывают первоначальное показание прибора Н. 1.5.4 Все изменения грунта как количественные, так и качественные, заносят в специальный журнал. 1.5.5 Показания прибора ПРГ – 1 снимают через определенные промежутки времени (1, 5, 10, 30, 60 мин и т.д.). 1.5.6 Опыт считается законченным, когда весь грунт провалится сквозь сетку на дно корпуса и стрелка займет нулевое положение. 1.5.7 С помощью этого прибора можно получить числовую характеристику скорости распада грунта под водой, а также кривую зависимости распада от времени. Кривая может быть построена по данным числовых отметок. Для этого по оси абсцисс откладывается время, а по оси ординат – числовые данные. 22 1.5.8 Процент распада определяется по формуле: , (1.1) где p – распад грунта, %; H – начальная числовая отметка; H p - числовая отметка в момент определения. 2. Определение набухания грунта 2.1 Общие положения Набуханием грунта называется увеличение его объема при увлажнении. Набухание присуще главным образом глинистым грунтам и определяют их водоустойчивость, которая в свою очередь зависит от гранулометрического и химико-минерального состава грунта, а также от характера связи между частицами грунта. Набухание грунта в инженерно-геологической практике характеризуется: - величиной набухания, выражаемой отношением приращения объема грунта при набухании к его первоначальному объему, %; - влажностью набухания, соответствующей максимальной величине набухания грунта, % массы сухого грунта; - силой набухания, т.е. напряжением, развивающимся в грунте в результате его набухания при увлажнении, кгс/cм 2 Здесь будут рассмотрены только две характеристики – величина и влажность набухания. 2.2 Приборы и оборудования 2.2.1 Прибор для определения набухания грунтов ПНГ конструкции Д. И. Знаменского. 2.2.2 Нож. 23 2.2.3 Фильтровальная бумага. 2.2.4 Фарфоровая ступка. 2.2.5 Сито с отверстиями 1 мм и оборудование для определения влажности. 2.3 Описание прибора 2.3.1 Для определения величины и влажности набухания грунта необходимо прибор ПНГ конструкции Д. И. Знаменского. 2.3.2 Прибор ПНГ состоит из режущего кольца (диаметром 56,5 мм и высотой 25 мм), обоймы с винтом, в отверстие которой устанавливается индикатор, перфорированного поддона, поршня и ванночки. Все детали, кроме кольца, изготовляемого из нержавеющей стали, дюралевые или из оргстекла. 2.3.3 Конструкция прибора ПНГ показана на рисунке 2. Рисунок 2 – Прибор ПНГ для определения набухания грунтов: 1 – индикатор; 2 – винт; 3 – обойма; 4 – поршень; 5 – режущее кольцо; 6 – перфорированный поддон; 7 – ванночка 24 2.4 Подготовка образцов 2.4.1 Прежде чем приступить к проведению испытания проводят подготовительные операции: взвешивают режущее кольцо с погрешностью не более 0,01г (масса g 1 ). 2.4.2 Острым режущим торцом кольцо ставят на зачищенную горизонтальную поверхность монолита грунта; вырезают целик грунта, обрезая его ножом по внешней стороне образующей кольца, и одновременно насаживают кольцо на целик грунта. При этом следят, чтобы кольцо погружалось вертикально. 2.4.3 Насаживают кольцо до выступания целика грунта из него на 1 – 2 мм, затем отделяют кольцо от монолита, осторожно подрезая грунт ножом. 2.4.4 Взятый в кольцо грунт осторожно срезают по плоскостям вровень с торцами кольца. Затем тщательно очищают кольцо от приставших частиц грунта: кольцо с грунтом взвешивают с погрешностью не менее 0,01 г (масса g 2 ). 2.5 Порядок определения набухания грунта 2.5.1 На дно поддона укладывают кружок мокрой фильтровальной бумаги диаметром, соответствующим внутреннему диаметру поддона. 2.5.2 В поддон устанавливают кольцо с грунтом верхним торцом кольца вниз, на поверхность которого тоже кладут кружок фильтровальной бумаги диаметром, соответствующим внутреннему диаметру кольца. 2.5.3 На поверхность грунта в кольце ставят поршень и ввинчивают обойму в поддон до упора ее в бортик кольца. 2.5.4 В обойму вводят индикатор до соприкосновения его с головкой поршня и закрепляют индикатор винтом. Собранный прибор опускают в ванночку. 25 2.5.5 Записывают в журнал показание индикатора, затем в ванночку наливают воду до риски, нанесенной по внутренней образующей поверхности ванночки. 2.5.6 Замечают время начала набухания грунта и следят за показаниями индикатора, записывая их через определенные промежутки времени, пока набухание не прекратится. 2.5.7 Опыт считается законченным, если приращение показаний индикатора не превышает 0,02 мм/сут. 2.5.8 Вынимают прибор из ванночки и, сняв с кольца обойму с индикатором и поршень, извлекают кольцо с грунтом. 2.5.9 Взвешивают на технических весах кольцо с грунтом с погрешностью не более 0,01 г (массу g 3 ) и помещают его в сушильный шкаф, где грунт высушивают до постоянной массы при 105 о С. 2.5.10 Вынимают кольцо с грунтом из сушильного шкафа, охлаждают в эксикаторе, взвешивают (масса g 4 ) и вычисляют начальную и конечную влажность грунта, %: (2.1) 100, (2.2) где g 1 – масса кольца, г; g 2 – масса кольца с грунтом до опыта, г; g 3 – масса кольца с влажным грунтом после опыта, г; g 4 – масса кольца с грунтом после сушки, г. 2.5.11 Конечная влажность W к и будет характеризовать влажность набухания. 2.5.12 Вычисляют величину набухания k н , %: (2.3) 26 где m – число делений шкалы индикатора, пройденных за время опыта, или приращение высоты образца (разность между последним и первыми отсчетами по индикатору), мм; h – начальная высота образца, мм. 2.5.13 При определении набухания грунта на образцах наружного сложения его высушивают на воздухе, размельчают в ступке пестиком с резиновым наконечником и просеивают через сито с отверстиями 1 мм. 2.5.14 Просеянный грунт помещают в чашку и доводят, добавляя воду и перемешивая, до консистенции, при которой образовавшаяся паста не прилипает к рукам при раскатывании. Пасту формуют так, чтобы в ней не образовывалось воздушных полостей. 2.5.15 Дальнейшая подготовка образца и проведение испытания такое же, как и для ненарушенного строения. 3. Определение морозного пучения 3.1 Общие положения Морозным пучением называют увеличение объема водонасыщенного грунта при замораживании. Морозное пучение характеризуется коэффициентом холодного пучения k пуч , представляющим собой отношение вертикальной деформации пучения при промораживании образца к его первоначальной высоте, выраженное в процентах. 3.2 Приборы и оборудования 3.2.1 Модифицированный прибор конструкции Д. И. Знаменского для определения набухания грунтов: - кольцо – внутренний диаметр50,4 мм, высота 50 мм; - обойма – внутренний диаметр 55 мм, высота 110 мм; 27 - поршень – диаметр 49,3 мм, высота 13,6 мм; - поддон – внутренний диаметр 60,4 мм, высота 18 мм; - ванночка – внутренний диаметр 88 мм, высота 75 мм. 3.2.2 В ванночке должны быть просверлены четыре отверстия под бортиком для закрепления проволочек. 3.3 Подготовка образцов 3.3.1 Для испытания грунта ненарушенного сложения подготовку образца производят так же, как и для испытания при определении набухания. 3.3.2 Устанавливают оптимальную влажность и максимальный удельный вес грунта при стандартном уплотнении. 3.3.3 Отбирают среднюю пробу грунта массой не менее 0,5 кг и определяют ее влажность. 3.3.4 К пробе добавляют воду и тщательно перемешивают. Воду берут из такого расчета, чтобы влажность пробы соответствовала оптимальной влажности испытуемого грунта при стандартном уплотнении. Требуемое количество воды: , (3.1) где g – масса пробы грунта, г; W – исходная влажность грунта, %; W опт – оптимальная влажность грунта при стандартном уплотнении, %. 3.3.5 После тщательного перемешивания пробы с водой ее выдерживают в закрытом сосуде 1 – 2 ч. 3.3.6 Затем берут три навески грунта для формования образцов цилиндрической формы диаметром 5 см и высотой 5 см, средняя плотность скелета которых должна соответствовать максимальной плотности при стандартном уплотнении. 3.3.7 Навеску g грунта для получения образца с заданным удельным весом (максимальный удельный вес) рассчитывают по формуле: 28 (3.2) где V – объем образца, см 3 ; γ d – максимальная удельный вес грунта при стандартном уплотнении, г/см 3 ; W – влажность пробы, %. 3.3.8 Навеску пробы помещают в форму, применяемую для изготовления образцов при укреплении грунтов (диаметр 5 см). 3.3.9 В форму устанавливают поршень и под прессом формуют образец высотой 5 см. 3.4 Порядок определения морозного пучения 3.4.1 Подготовленный образец помещают в кольцо прибора для определения набухания. При этом кольцо должно быть слегка смазано вазелином. 3.4.2 В поддон прибора кладут кружок фильтровальной бумаги, соответствующий внутреннему диаметру кольца, затем кольцо с грунтом и устанавливают поддон в ванночку прибора. 3.4.3 В ванночку наливают воду до верхнего торца поддона и насыщают образец водой, поддерживая постоянный уровень воды в ванночке. Окончанием насыщения образца водой является полное потемнение его поверхности. 3.4.4 После на поверхность образца кладут кружок фильтровальной бумаги диаметром, соответствующим размеру кольца, а затем поршень и ввинчивают обойму в поддон прибора. 3.4.5 В ванночку доливают вод примерно на 0,3 высоты образца в кольце. 3.4.6 На плиту лабораторного штатива устанавливают кристаллизатор, в которой помещают форму из картона (диаметр 25 – 27 см и высота 16 – 18 см); в кристаллизатор заливают воду слоем около 3 – 5 мм. 29 3.4.7 На каждой стадии высушивания вычисляют объем образца, пересчитанный на 100 г массы сухого грунта: , (3.3) где V n – объем образца при соответствующей стадии высушивания (влажности), см 3 ; g – масса сухого грунта, г. 3.4.8 По вычисленным данным для каждой стадии высушивания строят в линейном масштабе график зависимости объема грунта от влажности: по оси абсцисс откладывают влажность, а по оси ординат – соответствующей этой влажности вычисленный объем на 100 г сухого грунта. 3.4.9 По рисунку 3 определяется предел усадки, т.е. влажность, с уменьшением которой прекращается уменьшение объема грунта. Рисунок 3 – Зависимость объема образца грунта от его влажности при высушивании 3.4.10 Для этой цели из точки пересечения кривой с осью ординат проводят прямую параллельно оси абсцисс. Продолжив прямолинейный участок кривой (первого периода уменьшения объема с изменением влажности) до пересечения с первой прямой, получают точку, абсцисса которой будет соответствовать влажности предела усадки. 30 3.4.11 Усадка V y определяют по формуле, %: (3.4) где V 1 – объем грунта в начале эксперимента (объем кольца), см 3 ; V п – объем грунта в конце опыта, см 3 4. Определение коэффициента фильтрации 4.1 Общие положения Коэффициент фильтрации k ф является чисто эмпирическим показателем и представляет собой линейное соотношение между скоростью фильтрации V ф (средняя скорость течения воды, отнесенная к поперечному сечению фильтрующего грунта), и гидравлическим коэффициентом i (градиентом напора, т.е. отношением изменения напора к длине пути фильтрации) при условии ламинарного характера течения воды, подчиняющегося закону Дарси: (4.1) Коэффициентом фильтрации следует считать скорость фильтрации воды через грунт при гидравлическом коэффициенте, равном 1. Для определения коэффициента фильтрации применяют методы фильтрации при постоянном (гидравлическом) и при падающем напоре воды. Первый метод предпочтительнее, так как он позволяет при испытании брать отсчеты по шкале водомерного сосуда в большие интервалы времени, что соответствует установившемуся движению воды, дает максимальное значение коэффициента фильтрации и увеличивает точность расчетов. При проведении испытаний применяют питьевую воду без механических примесей, дав ей предварительно отстояться 2 – 3 ч. 31 Контрольные вопросы к лабораторной работе № 2 1. Определение размокаемости глинистых грунтов на приборе ПРГ. 2. Определение набухания глинистых грунтов на приборе ПНГ. 3. Определение морозного пучения грунтов. 4. Определение коэффициента фильтрации. 32 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» (Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88). – М.: Минрегион России, 2012. – 119 с. 2. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах /под ред. Ю. Я. Велли, В. И. Докучаева, Н. Ф. Федорова. – Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1977. – 522 с. |