Определение плотности грунтов методом режущих колец

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Методические указания по выполнению лабораторных работ

 

Казань 2005

АННОТАЦИЯ

В настоящих методических указаниях дано описание лабораторных работ по механике грунтов. Все методы определения характеристик физических и механических свойств грунтов изложены в виде инструктивных указаний и сопровождаются описанием приборов и оборудования.

Дается разъяснение физического смысла характеристик и их назначения.

Методические указания предназначены для студентов всех специальностей и форм обучения.

 

 

Составитель: проф. А.Н.Драновский

Рецензент: начальник инженерно-геологического отдела ОАО «КазТИСИЗ», заслуженный геолог РТ Р.К Галеев.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Грунтами называются горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие многокомпонентную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Грунты могут служить:

1) материалом оснований зданий и сооружений;

2) средой для размещения в них сооружений;

3) материалом самого сооружения.

Грунты разделяются по общему характеру структурных связей на классы. Различают классы: природных скальных грунтов, природных дисперсных грунтов, природных мерзлых грунтов, техногенных (скальных, дисперсных, мерзлых) грунтов.

Задачей лабораторного практикума по курсу “Механика грунтов, основания и фундаменты” является изучение основных методов лабораторных определений физических и механических характеристик свойств дисперсных грунтов.

Дисперсными называют грунты, состоящие из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабо связанных друг с другом, и образованных в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.

Студент должен не только знать, как определяются характеристики свойств грунтов, но и уметь на основании имеющихся характеристик оценить строительные свойства грунтов и использовать их в инженерных расчетах.

Практикум заключается в выполнении под руководством преподавателя лабораторных работ в кафедральной лаборатории и самостоятельном решении задач по расчету оснований и фундаментов.

 

ПРАВИЛА ДЛЯ СТУДЕНТОВ:

 

До того, как приступить к работе, студент обязан:

 

1. Ознакомиться с соответствующими методическими указаниями по выполнению лабораторной работы.

2. Занести в свою тетрадь основные схемы, определения, формулы, обозначения, журналы, таблицы для результатов.

 

В процессе проведения работ необходимо:

 

1. Строго соблюдать требования техники безопасности.

2. Выполнять работы только под контролем преподавателя и в указанной им последовательности.

В конце занятия студент должен оформить отчет по данной работе и предъявить его преподавателю.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

Цель работы: 1) ознакомление с методикой лабораторных способов определения физических характеристик грунтов; 2) использование найденных характеристик для классификации и нормирования грунтов.

Задачи работы:

1) определение основных характеристик, физических свойств грунтов;

2) вычисление производных характеристик, физических свойств грунтов;

3) классификация грунтов; нормирование грунтов.

Физические свойства грунтов зависят от соотношения твердых частиц, жидкости (воды) и газа; гранулометрического и минералогического состава.

Следует выделить три основные физические характеристики грунта: плотность грунта r; влажностьW и плотность частиц грунта r_S.

Основными они называются потому, что определяются только экспериментальным путем и служат для расчета других, так называемых производных характеристик. К последним относят: пористость; коэффициент водонасыщения S_r и др.

Основные и производные характеристики применяются для оценки свойств любых грунтов: скальных, полускальных, дисперсных.

Имеются характеристики, применяемые для классификации только глинистых грунтов: влажность на границе текучести W_L, влажность на границе раскатывания W_p, число пластичности I _р и показатель текучести I _L.

Физические характеристики используются для классификации грунтов, для выполнения расчетов, для косвенной оценки прочностных и деформационных свойств.

Методы лабораторного определения физических характеристик определены в ГОСТ 5180-84. Классификация грунтов по физическим характеристикам производится по ГОСТ 251000-95.

 

ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

Работу выполняет бригада из 4-5 студентов. 2 человека определяют свойства песчаного грунта, 2-3 человека – глинистого. Исследуются грунты нарушенной структуры. Один студент выполняет все работы, связанные с взвешиванием. Одновременно производятся все расчеты. Результаты сразу же показываются преподавателю. При серьезных ошибках работа переделывается.

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПЛАСТИЧНОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Числом пластичности I _р называют разность влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести W_L и на границе раскатывания W_p.

I _р = W_L– W_p, % (1.15)

По ГОСТ 25100-95 W_L и W_p выражаются в процентах.

Число пластичности характеризует величину интервала влажности, в пределах которого глинистый грунт сохраняет пластичное состояние.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

 

СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ

 

Цель работы: оценка водопроницаемости песчаного грунта и использование коэффициента фильтрации при прогнозе скорости стабилизации осадки основания.

Задачи работы: 1) Ознакомление с методикой определения коэффициента фильтрации на приборе КФ–00М; 2) решение задачи с применением коэффициента фильтрации.

При ламинарном характере течения воды через грунт справедлив закон Дарси

V = K I, (4.1)

 

где V – скорость фильтрации, равна расходу воды, отнесенному к поперечному сечению фильтрующего грунта, за единицу времени; I – градиент напора, равный отношению напора к длине пути фильтрации.

Коэффициентом фильтрации К называют скорость фильтрации воды при градиенте напора, равном единице, и линейном законе фильтрации.

Коэффициент фильтрации песчаных грунтов определяют при постоянном заданном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой снизу вверх. Для насыщения образцов грунта и фильтрации применяют грунтовую воду с места отбора образца или воду питьевого качества. Количество частных определений коэффициента фильтрации должно составлять не менее 6.

 

ПРИБОР И ОБОРУДОВАНИЕ

 

В состав прибора КФ–00М, конструкция которого приведена на рисунке 4.1, входят: фильтрационная трубка 1, состоящая из прямого полого цилиндра внутреннем диаметром 56,5 мм (площадь поперечного сечения трубки 25см²) и высотой 100 мм с заостренными краями, перфорированного дна 3 с отверстиями размером 2х2мм, надеваемого на нижнюю часть цилиндра 1, и муфты 2 с латунной сеткой 4, устанавливаемой на верхней части цилиндра; мерный стеклянный баллон (мариоттов сосуд) 9 объемом 140 см³ и высотой 110мм со шкалой объема фильтрующейся жидкости; телескопическое приспособление для насыщения грунта водой и регулирования градиента напора, состоящее из подставки 5, подъемного винта 8, планки 10 со шкалой градиентов напора от 0 до1 ценой деления 0,02;

корпус 6 с крышкой 7

 

 

 

Рис. 4.1. Прибор КФ – 00М

1 – цилиндр; 2 – муфта; 3 – перфорированное дно; 4 – латунная сетка; 5 – подставка; 6 – корпус; 7 – крышка; 8 – подъемный винт; 9 – стеклянный баллон со шкалой объема фильтрующейся жидкости; 10 – планка со шкалой градиентов напора; 11 – испытуемый образец грунта.

 

 

Кроме того, в комплект оборудования должны входить:

1.Весы лабораторные. 2. Термометр. 3. Секундомер. 4. Нож с прямым лезвием. 5. Лопатка. 6. Пестик с резиновым наконечником. 7. Колба с питьевой водой. 8. Пластины плоские с гладкой поверхностью (из стекла или металла)

 

ПОРЯДОК РАБОТЫ

 

2.1. Подготовка к испытанию

2.1.1.Из корпуса прибора извлекают фильтрационную трубку и разбирают ее.

2.1.2.Заполняют цилиндр испытываемым грунтом. Заполнение цилиндра грунтом в предельно рыхлом и предельно плотном состоянии выполняют в следующем порядке: цилиндр с дном и латунной сеткой взвешивают; для получения образца в предельно рыхлом состоянии цилиндр заполняют грунтом, насыпая его с высоты 5-10 см без уплотнения; в предельно плотном состоянии насыпают слоями толщиной 1-2 см с уплотнением каждого слоя трамбованием.

Заполнение цилиндра грунтом нарушенного сложения заданной преподавателем плотности так же производят слоями толщиной 1-2 см, при этом необходимую массу грунта вычисляют по формуле:

m = Vr (4.1)

где V – объем цилиндра (250 см³); r – заданная плотность, г/см³.

Если грунт массой m не укладывается в цилиндр, то его уплотняют трамбованием. Коэффициент пористости грунта вычисляют по формуле:

е =

Влажность грунта W определяют по методике, изложенной в работе №1.

 

2.1.3.Зачищают поверхность образца вровень с краями цилиндра и взвешивают цилиндр с грунтом.

2.1.4.Определяют плотность грунта (r = m/V).

При опытах с тонкозернистыми песками на дно трубки необходимо засыпать буферный слой песка из фракции 0,5-0,25 мм высотой в 2-3 мм. Если требуется определить коэффициент фильтрации грунта с ненарушенной структурой, то цилиндр следует задавить непосредственно в грунт.

 

2.2. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

 

2.2.1После заполнения цилиндра грунтом в корпус (6) налить воды и вращением винта (8) поднять подставку (5) до совмещения отметки на планке (10) отметки напорного градиента I = 1 с верхним краем крышки (7).

2.2.2На подставку (5) установить фильтрационную трубку с испытываемым грунтом. Вращением винта (8) медленно погрузить фильтрационную трубку с грунтом в воду до отметки напорного градиента I = 0,8. В таком положении оставить прибор до момента появления влаги в верхнем торце цилиндра, о чем судят по изменившемуся цвету грунта

2.2.3.Поместить на грунт латунную сетку (4), одеть на трубку муфту (2) и вращением винта (8) опустить фильтрационную трубку в крайнее нижнее положение.

2.2.4.Заполнить мерный баллон (9) водой, предварительно измерив ее температуру, зажать отверстие большим пальцем и, быстро опрокинув, вставить в муфту (2) так, чтобы горлышко баллона соприкасалось с латунной сеткой.

Мерный баллон – мариоттов сосуд – приспособление, создающее постоянный напор воды. Когда сосуд перевернут отверстием вниз, вода из него будет вытекать только в том случае, если под вогнутую часть проникает наружный воздух. Если вода из-под вогнутой части расходуется на фильтрацию, то ее расход компенсируется из сосуда, при этом уровень воды во время испытания практически совпадает с поверхностью грунта. Этим обеспечивается постоянство напора при проведении испытания. Шкала на поверхности сосуда позволяет измерять расход воды. Мерный баллон автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды в 1-2 мм.

При нормальном ходе опыта в мерный баллон поднимаются мелкие пузырьки воздуха. Если в мерный баллон прорываются крупные пузырьки воздуха, то баллон следует опустить ниже на 1-2 мм и добиться того, чтобы в него равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха.

После этого установить планку (10) на градиент I = 0,6 и долить воду в корпус (6) до верхнего края.

2.2.5.Отметить время, когда уровень воды достигнет деления шкалы мерного баллона, отмеченного цифрой 10 (или 20) см³; принимая это время за начало фильтрации воды. В дальнейшем фиксируют время, когда уровень воды достигнет соответственно делений: 20, 30, 40, 50 (или 20, 40, 60, 80) см³ или других кратных значений.

Производят четыре отсчета.

2.2.6.Опустив цилиндр с грунтом в крайнее положение, снять мерный баллон (9), заполнить его водой и вновь вставить в муфту (2).

2.2.7.Установить планку (10) на напорный градиент I = 0,8 и долить воду в корпус 6 до верхнего края. Далее поступить согласно п.2.2.5. Так произвести определения для любого напорного градиента (всего 6 раз). Для I = 1 телескопическим приспособлением можно не пользоваться, установив фильтрационную трубку на любую равную поверхность.

2.2.8.По окончании работы прибор КФ-00М разобрать, все детали промыть чистой водой и вытереть насухо.

 

2.3.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

2.3.1. Коэффициент фильтрации К₁₀ м/сут, приведенный к условиям фильтрации при температуре 10⁰С, вычисляют по формуле:

К₁₀= (4.2)

где V_W – объем профильтровавшейся воды при одном замере, см³;

t_m – средняя продолжительность фильтрации (по замерам при одинаковых расходах воды),с; А – площадь поперечного сечения цилиндра фильтрационной трубки, см²; I – градиент напора; Т = (0,7 + 0,03 Т_ф) – поправка для приведения значения коэффициента фильтрации к условиям фильтрации воды при температуре 10⁰С, где Т_ф – фактическая температура воды при испытании, ⁰С; 864 – переводной коэффициент (из см/с в м/сут)

2.3.2. Полученные в ходе испытаний данные занести в журнал, форма которого приводится ниже:

 

Результаты определения коэффициента фильтрации песчаного грунта на приборе КФ – 00М

Дата испытания	№ испытания	Тип грунта	Сложение грунта	Влажность грунта в д.ед.	Масса, г
Цилиндра	Цилиндра с грунтом	Грунта

 

Продолжение

Плотность,г/см^3	Коэффициент пористости е	Градиент напора I	Объем профильтровавшейся воды VW, см^3	Время фильтрации, с
Грунта r	Сухого грунта rd	Отдельные замеры	среднее

Продолжение

Температура воды Тф, ^0С	Коэффициент фильтрации К10, м/сут	Примечание

 

В таблицу записываются значения коэффициента фильтрации при
I = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 0,9; 1,00.

Каждая бригада проводит испытания на фильтрацию грунта лишь одной заданной плотности сложения.

Плотность задается преподавателем.

 

2.3.3. После завершения экспериментов результаты всех бригад обобщаются в единой таблице

Сводная таблица коэффициентов фильтрации грунтов разной плотности сложения:

Плотность сложения песка rd,г/см^3 и наименование по плотности сложения	е	Коэффициент фильтрации К10,м/сут

Коэффициент фильтрации используется при расчетах скорости уплотнения грунтов под нагрузкой, определения притока воды к котлованам, дренажным и водозаборным устройствам, при расчетах фильтрационных потерь через земляные ограждающие сооружения, например, плотины и фильтрационные завесы.

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Методические указания по выполнению лабораторных работ

 

Казань 2005

АННОТАЦИЯ

В настоящих методических указаниях дано описание лабораторных работ по механике грунтов. Все методы определения характеристик физических и механических свойств грунтов изложены в виде инструктивных указаний и сопровождаются описанием приборов и оборудования.

Дается разъяснение физического смысла характеристик и их назначения.

Методические указания предназначены для студентов всех специальностей и форм обучения.

 

 

Составитель: проф. А.Н.Драновский

Рецензент: начальник инженерно-геологического отдела ОАО «КазТИСИЗ», заслуженный геолог РТ Р.К Галеев.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Грунтами называются горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие многокомпонентную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Грунты могут служить:

1) материалом оснований зданий и сооружений;

2) средой для размещения в них сооружений;

3) материалом самого сооружения.

Грунты разделяются по общему характеру структурных связей на классы. Различают классы: природных скальных грунтов, природных дисперсных грунтов, природных мерзлых грунтов, техногенных (скальных, дисперсных, мерзлых) грунтов.

Задачей лабораторного практикума по курсу “Механика грунтов, основания и фундаменты” является изучение основных методов лабораторных определений физических и механических характеристик свойств дисперсных грунтов.

Дисперсными называют грунты, состоящие из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабо связанных друг с другом, и образованных в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.

Студент должен не только знать, как определяются характеристики свойств грунтов, но и уметь на основании имеющихся характеристик оценить строительные свойства грунтов и использовать их в инженерных расчетах.

Практикум заключается в выполнении под руководством преподавателя лабораторных работ в кафедральной лаборатории и самостоятельном решении задач по расчету оснований и фундаментов.

 

ПРАВИЛА ДЛЯ СТУДЕНТОВ:

 

До того, как приступить к работе, студент обязан:

 

1. Ознакомиться с соответствующими методическими указаниями по выполнению лабораторной работы.

2. Занести в свою тетрадь основные схемы, определения, формулы, обозначения, журналы, таблицы для результатов.

 

В процессе проведения работ необходимо:

 

1. Строго соблюдать требования техники безопасности.

2. Выполнять работы только под контролем преподавателя и в указанной им последовательности.

В конце занятия студент должен оформить отчет по данной работе и предъявить его преподавателю.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

Цель работы: 1) ознакомление с методикой лабораторных способов определения физических характеристик грунтов; 2) использование найденных характеристик для классификации и нормирования грунтов.

Задачи работы:

1) определение основных характеристик, физических свойств грунтов;

2) вычисление производных характеристик, физических свойств грунтов;

3) классификация грунтов; нормирование грунтов.

Физические свойства грунтов зависят от соотношения твердых частиц, жидкости (воды) и газа; гранулометрического и минералогического состава.

Следует выделить три основные физические характеристики грунта: плотность грунта r; влажностьW и плотность частиц грунта r_S.

Основными они называются потому, что определяются только экспериментальным путем и служат для расчета других, так называемых производных характеристик. К последним относят: пористость; коэффициент водонасыщения S_r и др.

Основные и производные характеристики применяются для оценки свойств любых грунтов: скальных, полускальных, дисперсных.

Имеются характеристики, применяемые для классификации только глинистых грунтов: влажность на границе текучести W_L, влажность на границе раскатывания W_p, число пластичности I _р и показатель текучести I _L.

Физические характеристики используются для классификации грунтов, для выполнения расчетов, для косвенной оценки прочностных и деформационных свойств.

Методы лабораторного определения физических характеристик определены в ГОСТ 5180-84. Классификация грунтов по физическим характеристикам производится по ГОСТ 251000-95.

 

ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

Работу выполняет бригада из 4-5 студентов. 2 человека определяют свойства песчаного грунта, 2-3 человека – глинистого. Исследуются грунты нарушенной структуры. Один студент выполняет все работы, связанные с взвешиванием. Одновременно производятся все расчеты. Результаты сразу же показываются преподавателю. При серьезных ошибках работа переделывается.

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГРУНТОВ МЕТОДОМ РЕЖУЩИХ КОЛЕЦ

Плотность грунта определяется из соотношения:

r= ,г/см³ (1.1)

 

где m – масса грунта, г; V – объем грунта, см³.

Плотность грунта зависит от пористости, влажности, минералогического состава и может находиться в пределах от 1,3 до 2,2 г/см³.

Для определения плотности чаще всего применяют метод режущего кольца. Суть его заключается в том, что кольцо известного объема V врезается в грунт, а затем путем взвешивания определяют массу m грунта, заключенного в кольце.

 

1.1. ПОРЯДОК РАБОТЫ

 

1.1.1. Определить массу режущего кольца m₁

1.1.2. Определить объем режущего кольца по формуле:

V= (1.2)

где d – внутренний диаметр кольца, см; h – высота кольца, см. Размеры кольца замеряют с точностью 0,01 см.

1.1.3. Поверхность грунта (монолита) выровнять ножом с прямым лезвием. На поверхность поставить кольцо острым краем вниз. Придерживая кольцо рукой, вырезать столбик грунта под кольцом несколько большего диаметра, чем диаметр кольца. Насадить кольцо на столбик, слегка нажимая на кольцо и не допуская перекосов. Поверхность грунта должна слегка выступать над верхним концом режущего кольца.

Грунт ниже кольца подрезать “на конус” и кольцо извлечь из грунта. Избыток грунта, выступающий из кольца, срезать вровень с краями кольца. Кольцо положить на стол на стекло. Торцы тщательно зачистить, а мелкие раковины зашпаклевать грунтом.

1.1.4. Наружную поверхность кольца тщательно очистить от грунта. Определить массу кольца с грунтом и стеклом m₂ . Массу стекла m₃ определить заранее.

1.1.5. Определить плотность грунта по формуле:

, г/см³ (1.3)

1.1.6. Результаты измерений занести в таблицу

 

 

Вид грунта	Объем кольца, V, см^3	Масса, г	Плотность , г/см^3
Кольца, m 1	Кольца с грунтом и стеклом, m 2	Стекла, m 3
Песчаный
Глинистый