Федеральное агентство по образованию

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра геотехники

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов строительных специальностей всех форм обучения

*A^TB СПбГАСУ Отдел учебной -литературы

Г

Санкт-Петербург 2006

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания предназначены для само­стоятельного выполнения студентами лабораторных работ по двум темам раздела курса «Механика грунтов» (физические и механи­ческие свойства грунтов).

Методические указания разработаны с учетом изменения ГОСТов на испытания и являются новой редакцией предыдущих изданий.

Состав лабораторных работ принят в соответствии с обору­дованием, имеющимся в учебной лаборатории кафедры геотех­ники, и учебной программой дисциплины «Механика грунтов».

Целью лабораторных работ является практическое ознаком­ление студентов с методиками определения показателей физико-механических свойств грунтов, используемых при сооружении оснований, фундаментов и подземных помещений промышлен­ных и гражданских сооружений. В процессе выполнения лабора­торных работ закрепляются теоретические знания.

До начала лабораторной работы студент знакомится с ее це­лью, содержанием, порядком проведения, методикой расчетов по­казателей свойств исследуемого грунта.

Лабораторные работы выполняются группами из 2-3 человек. Каждый студент ведет журнал работ, в который заносит исходные данные, фиксирует по ходу работы результаты опыта, а затем про­водит необходимые расчеты и графические построения. В конце каждого 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 следует привести рабочее место в порядок.

Зачет по лабораторным работам проводится в конце семест­ра. Для его получения требуется выполнить и оформить все лабо­раторные работы, а также решить задачи по определению: расчет­ного сопротивления грунтов основания и осадки фундамента; не­сущей способности основания.

УДК 075.8

Механика грунтов: Методические указания по выполне­нию лабораторных работ для студентов строительных специаль­ностей всех форм обучения / СПбГАСУ; Сост.: В. Д. Карлов, Р. А. Мангушев, Е. В. Городнова. - СПб., 2006. - 34 с.

Методические указания содержат описание лабораторных работ по меха­нике грунтов. Методика работ принята в соответствии с оборудованием, имею­щимся в учебной лаборатории механики грунтов СПбГАСУ.

Табл. 19. Ил. 10.

Рецензент-д-р техн. наук, профессор И. И. Сахаров (СПбГАСУ)

в которых частицы крупнее 2 мм составляют более 50% (гравий­ные, галечниковые, валунные).

Гранулометрический состав позволяет косвенно судить о не­которых строительных свойствах грунта. 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 частицами галечниковой и гравийной фракции коа­гуляционные связи отсутствуют. Эти грунты отличаются хорошей водопроницаемостью, полным отсутствием капиллярного подня­тия, неизменностью свойств при изменении влажности.

Песчаные грунты хорошо пропускают воду, имеют незначи­тельную величину капиллярного поднятия, но меняют строитель­ные свойства при изменении влажности.

Пылеватые грунты имеют малую водопроницаемость, но зна­чительную высоту капиллярного поднятия.

Глинистые частицы резко изменяют свойства грунтов при их увлажнении (приобретают пластичность и липкость, увеличива­ются в объеме), придают грунтам водонепроницаемые свойства.

В настоящей работе требуется разделить глинистый грунт на три указанных выше фракции и установить его наименование.

Необходимое оборудование и материалы

Грунт (воздушно-сухой, глинистый порошок) - 50 г. Градуированные цилиндры - 2 шт. Палочки с резиновыми наконечниками - 2 шт. Раствор хлористого кальция (СаС1₂ - 5%). Колба с водой - 1 шт.

Студент должен знать порядок определения свойств грунтов при выполнении лабораторных работ и обработки их результатов, практическое значение показателей и классификации, в которых они используются.

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ГРУНТА (полевой метод)

Цель лабораторной работы - определить гранулометричес­кий состав грунта и установить его наименование.

Гранулометрическим составом называется количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах.

Для определения гранулометрического состава составляющие грунт частицы разделяют на отдельные группы (фракции). Мето­ды разделения зависят от крупности частиц. Принято выделять следующие основные фракции (табл. 1.1):

Таблица 1.1

Наименование частиц (фракций)	Диаметр, мм
Галечниковые	d>W
Гравийные	2<dZ\0
Песчаные	0,05<rfS2
Пылеватые	0,005 <d< 0,05
Глинистые	d< 0,005

Для гранулометрического анализа используется глинистый грунт нарушенной структуры после просеивания через набор сит с диаметром отверстий 10; 5 и 2 мм. В данной работе не определя­ется содержание крупнообломочных фракций с d > 2 мм (гравий, галька или более крупные включения).

По содержанию глинистых частиц грунты классифицируют­ся следующим образом (табл. 1.2).

В зависимости от крупности частиц и их процентного содер­жания различают песок гравелистый, крупный, средней крупно­сти, мелкий и пылеватый. К крупнообломочным относят грунты,

Затем цилиндр следует снова долить водой до 30 см³, взму­тить осадок, через 30 с слить и т. д.

Сливание необходимо повторять до полного осветления жид­кости.

7. По завершении отмучивания надо налить воды до 100 см³, дать песку отстояться и определить его объем. Так как 1 см³ состав­ляет 10% от первоначального объема грунта, то содержание песка в грунте определяют умножением числа кубических сантиметров осадка на 10. Результат опыта записывают в табл. 1.3.

б) Определение содержания глинистой фракции (диаметр ча­стиц менее 0,005 мм).

Способ основан на свойстве глинистых частиц увеличивать­ся в объеме (набухать) при увлажнении.

1. Сухой грунт из той же пробы, что и в предыдущем опыте, насыпают в прозрачный цилиндр и постукиванием по ладони уп­лотняют до 10 см³.

2. Грунт разрыхляют, и в цилиндр наливают воду, как указано выше (см. пп. 2-3).

3. Для коагуляции и ускорения оседания глинистых частиц к полученной суспензии добавляют 3...4 см³ пятипроцентного ра­створа хлористого кальция (СаС1₂).

4. Цилиндр доливают водой до 100 см³, суспензию взмучивают один раз и оставляют для отстаивания и набухания в течение 1...2 сут или до следующего занятия.

В цилиндр вставляют этикетку с указанием группы и фами­лии студента.

Фарфоровый стакан для слива суспензии - 1 шт. Часы с секундной стрелкой - 1 шт.

Ход работы

До начала опытов необходимо подготовить формы записи ре­зультатов - три таблицы (табл. 1.3 - 1.5).

а) Определение содержания песчаных частиц диаметром от 2 до 0,05 мм!

Способ основан на разной скорости падения частиц грунта в воде в зависимости от их крупности (закон Стокса) и состоит в отмучивании (отмывании) глинистых и пылеватыхчастиц от пес­чаных:

1. Сухой грунт насыпают ложкой в прозрачный цилиндр и уп­лотняют постукиванием по ладони. После уплотнения грунт дол­жен иметь объем 10 см³.

2. Наклоном цилиндра и легким встряхиванием грунт разрых­ляется так, чтобы показалось дно, после чего в цилиндр наливают воду до 50...60 см³.

3. Грунт при помощи палочки с резиновым наконечником тщательно растирают и перемешивают с водой до исчезновения мазков глины на стенках цилиндра й грунта, налипшего на нако­нечник. После этого в цилиндр доливают воду до 100 см³.

4. Полученную суспензию хорошо взмучивают палочкой с ре­зиновой кисточкой. Кисть вынимают, замечают время й дают сус­пензии отстояться 90 с. За это время все песчаные частицы успе­вают осесть на дно. После этого 2/3 объема суспензии с пылева-тыми и глинистыми частицами сливают (до З0...35см³).

5. Цилиндр вновь доливают водой до 100 см³, суспензию взму­чивают, отстаивают 90 с, после чего сливают 2/3 ее объема и т. д. Этот процесс следует повторять до практически полного осветле­ния жидкости.

6. После этого сливают те же фракции (диаметром менее 0,05 мм), но через более короткие промежутки времени. Для это­го оставшуюся суспензию в объеме 30...35 см³ следует взмутить, через 30 с осторожно слить жидкость над осевшим грунтом. При сливании необходимо следить, чтобы песчаные частицы не уно­сились из цилиндра вместе с водой.

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГРУНТА МЕТОДОМ РЕЖУЩЕГО КОЛЬЦА (ГОСТ 5180-в4)

Цель лабораторной работы - определить плотность и удель­ный вес грунта.

Плотностью грунта называется массаединицы объема грунта в его естественном состоянии.

Плотность грунта в данной работе устанавливается посред­ством определения веса грунта в известном объеме кольца.

По величине плотности вычисляют значение удельного веса грунта по формуле

y = p-g,

где g = 9,8 м/с²- ускорение свободного падения у поверхности земли.

Эта характеристика используется в фундаментостроении при определении расчетного сопротивления грунта, давления на ог­раждающие конструкции, расчете устойчивости откосов и т. д.

Необходимое оборудование и материалы

Монолит грунта.

Режущее кольцо с заточенной кромкой.

Паспорт к кольцу.

Салфетка для кольца.

Нож.

Стекло.

Правило.

Весы.

Ход работы

1. Записать данные об объеме и весе кольца из карточки, ле­жащей у приборов, в табл. 2.1.

2. Монолит грунта, находящийся в металлическом цилиндре, вскрывают путем удаления бумаги с парафиновой заливкой. По­верхность монолита зачищают ножом.

3. В средней части монолита устанавливают режущее кольцо (рис. 1), Надавливанием на кольцо (без перекосов) его погружают

5. После отстаивания определяют объем набухшего грунта. Содержание глинистых частиц в процентах определяют умноже­нием относительного приращения объема грунта на эмпиричес­кий коэффициент К=22,7. Результат опыта записывают в табл. 1.4.

в) Определение содержания пыпеватой фракции (диаметр частиц 0,05...0,005 мм).

Содержание пылеватых частиц определяют вычитанием из 100 % суммы процентов глинистой и песчаной фракций (табл. 1.5).

г) Определение названия грунта.

Наименование грунта определяют по содержанию глинистой фракции в соответствии с приведенной выше классификацией (см. табл. 1.2) и записывают в табл. 1.5.

режущую кромку правила следует все время очищать от грунта. Мелкие раковины шпаклюют (без нажима) грунтом.

8. Кольцо с грунтом помещают зачищенной стороной на стек­ло, после этого производят зачистку'Грунта с другой стороны, как указано в п. 7. В результате объем фунта становится равным объе­му кольца.

9. Кольцо снаружи тщательно протирают и вместе с грунтом взвешивают (с точностью до 0,01 г).

10. Вычисление плотности грунта производят с точностью до
0,01 г/см³.

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА МЕТОДОМ ВЗВЕШИВАНИЯ (ГОСТ 5180-84)

Цель лабораторной работы - определить влажность грунта.

Влажностью грунта называется отношение массы воды в объеме грунта к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы.

Характеристика «влажность» используется при определении удельного веса скелета грунта, степени заполнения пор грунта водой, консистенции связных грунтов и т. д.

Влажность определяют весовым методом по результатам взве­шивания пробы влажного грунта и той же пробы грунта после его высушивания при температуре 105 °С в сушильном шкафу (термо­стате).

Весовую влажность находят для образца, у которого опреде­ляли плотность грунта.

Необходимое оборудование

Бюкс - 1 шт. Весы.

Ход работы

1. В таблицу результатов определения влажности (табл. 3.1) за­писывают данные о бюксе (номер бюкса отштампован, а масса написана на его крышке).

на 2...3 мм в грунт. Все операции следует выполнять аккуратно, не торопясь, во избежание нарушения структуры грунта.

4. Для снижения сил трения и уменьшения нарушения струк­туры образца в кольце грунт с внешней стороны кольца удаляют, как показано на рис. 1, а.

5. Новым надавливанием кольцо погружают в монолит еще на 2...3 мм, грунт снаружи снова удаляют и т. д. Погружение пре­кращают, когда грунт заполнит кольцо и выйдет из него на 1...2 мм (рис. 1,6).

6. Грунт ниже кольца подрезают «на конус» (см. рис. 1, б) об­разец на ноже извлекают из монолита и устанавливают на стекло (вверх конусом).

7. 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 где p₅ - плотность частиц грунта (устанавливается опытным пу­тем). В данном случае для расчетов принимаем p_s = 2,7 г/см³;

в) пористость:

е

п = -

1 + е

г) полную влагоемкость:

(3)

e-p_w

где p_w - плотность воды, p_w = 1,0 г/см³;

д) коэффициент водонасыщения S_r, доли ед.:

_{s =} ^W'P_{S =} ^w где p_w - плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см³;

(5)

б) удельный вес фунта с учетом взвешивающего действия воды У,*.кН/м³:

у —V

^Г*⁼ТГГ* (⁶)

1 + е

где у₄ = р₅ • g - удельный вес частиц фунта; y_w - p_w ■ g - удель­ный вес воды; g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения у по­верхности земли.

Примечание. Точность вычисления коэффициента пористос­ти - 0,001, других характеристик - 0,01.

2.
Примерно половину грунта, оставшегося в кольце (после определения плотности в работе № 2), помещают в бюкс и закры­вают крышкой.

3. Бюкс с влажным грунтом и крышкой взвешивают с точнос­тью до 0,01 г.

4. Лаборант помещает бюкс с фунтом в термостат, где он вы­сушивается при температуре 105°С в течение 4.„6 ч. Бюксы с су­хим грунтом хранят в эксикаторе - закрытом сосуде с хлористым кальцием, поглощающим влагу из воздуха.

5. На следующем занятии бюкс с сухим грунтом взвешивают с той же точностью.

6. Расчет весовой влажности производят по формуле, приве­денной в табл. 3.1. Влажность определяют в долях единицы с точ­ностью до 0,04.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА, ПОЛУЧАЕМЫХ РАСЧЕТОМ

На основе полученных из опытов результатов определения плотности р и влажности w требуется рассчитать по формулам следующие физические характеристики фунта:

а) плотность сухого грунта p_d, г/см³:

1 + W

б) коэффициент пористости е, доли ед.:

_ w-w_p _ w-w_P ' I. ~,

W, - Wp Ip

где w - влажность грунта в естественном состоянии, определяе­мая в лабораторной работе № 3.

Таблица 4.1

Разновидность глинистых грунтов	Число пластичности 1Р
Супесь	0,<0\ <1Р<7 °,0«*~
Суглинок	О/OKlp^YI О,
Глина	V,\r<jf

По числу пластичности /_;, и фанулометрическому составу (ла­бораторная работа № 1) глинистые фунты подразделяют соглас­но ГОСТ 25100-95 (табл. 4.3).

Необходимое оборудование и материалы

Грунт глинистый (сухой в порошке и в виде пасты в чашке).

Шпатель.

Колба с водой.

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ВЛАЖНОСТЕЙ И КОНСИСТЕНЦИИ ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТОГО ГРУНТА (ГОСТ 5180-84)

Цель лабораторной работы - определить наименование и консистенцию пылевато-глинистого грунта.

* Пылевато-глинистые (связные) грунты характеризуются пре­обладанием в их составе пылеватых и глинистых частиц, что обус­ловливает их связность. Строительные свойства пылевато-глини-стых грунтов изменяются в зависимости от их влажности и конси­стенции, устанавливаемой по значению показателя текучести I_L.

Показатель текучести грунта /_; используется при выборе глу­бины заложения фундаментов, определении расчетного сопротив­ления грунта, определении несущей способности свай и т. д.

Для оценки консистенции пылевато-глинистого грунта важ­ное значение имеют пределы пластичности: влажность грунта на границе раскатывания w_p и влажность на границе текучести w_L. Разные глинистые грунты имеют свои величины характерных влажностей w_p и w_I.

• Граница текучести м>, (верхний предел пластичности) со­ответствует влажности, при незначительном превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее.

• Граница раскатывания w_p (нижний предел пластичности) соответствует влажности, при незначительном уменьшении кото­рой грунт перестает быть пластичным (влажность на границе пла­стичного и твердого состояний).

* Число пластичности 1_р- разность между влажностью на гра­нице текучести w_L и на границе раскатывания w_p:

Ip = w, -w_p.

• По числу пластичности I_p глинистые грунты подразделяют согласно ГОСТ 25100-95 (табл. 4.1).

* Показатель текучести I_f определяется отношением разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта (естествен­ному w и на границе раскатывания w_p), к числу пластичности 1_р:

Рис. 2. Прибор для определения предела текучести

Определение границы текучести состоит в подборе соответ­ствующей влажности испытываемого грунта. Опыт ведется следующим образом:

1. Грунтовое тесто тщательно перемешивают с помощью шпа­теля и «вмазывают» без пустот в металлический стаканчик 3. По­верхность грунта выравнивают правилом вровень с краями ста­канчика.

2. Острие конуса 1, смазанного тонким слоем вазелина, под­носят к самой поверхности фунта и мгновенно отпускают, позво­ляя конусу погрузиться в грунт под влиянием собственного веса. Через 5 с отмечают положение круговой черты.

3. Если погружение конуса менее 10 мм, грунт из стаканчика перекладывают в чашку и после добавления воды снова тщатель­но перемешивают. Затем опыт повторяют.

Если конус погрузился более чем на 10 мм, следует добавить сухой грунт, перемешать его с влажным и повторить опыт.

4. Для определения влажности, соответствующей пределу те­кучести, из стаканчика отбирают пробу грунта (не менее 10 г) и по­мещают в бюкс.

5. Определяют влажность, как описано в работе № 3 (пп. 3-6). Результаты записывают в табл. 4.4.

б) Определение влажности на границе раскатывания w_p Влажность на границе раскатывания соответствует весовой влажности, при которой грунт, раскатываемый в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки (гранулы) длиной 3...8 мм.

Металлический стаканчик и подставка. Балансирный конус, технический вазелин. Салфетка для конуса. Бюксы - 2 шт. Весы.

Подготовительные работы

Среднюю пробу из природного грунта высушивают и измель­чают в фарфоровой ступке деревянным пестиком. Часть этого грун­та затворяют с водой до получения густого теста и выдерживают сутки в закрытом стеклянном сосуде для равномерного распреде­ления влаги.

Ход работы

а) Определение влажности на границе текучести w_L Влажность на границе текучести соответствует весовой влаж­ности грунта, при которой стандартный конус погружается в грун­товое тесто за 5 с под действием собственного веса на глубину 10 мм.

Стандартным называется конус 1 с углом при вершине 30° (рис. 2), масса которого вместе с балансирным устройством 2 со­ставляет 76 г. На расстоянии 10 мм от вершины на конусе нанесе­на круговая черта.

Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ СЛОЖЕНИЯ ПЕСКА

Цель лабораторной работы - определить коэффициент по­ристости песка и установить его плотность.

. Плотность сыпучих (песчаных) грунтов может быть оценена через коэффициент пористости по ГОСТ 25100-95.

Плотность песка в большой степени влияет на его строитель­ные свойства, в том числе на статическую и динамическую устой­чивость песчаных оснований и земляных сооружений, деформа-тивность, водопроницаемость и т. д. Так, например, если песок находится в рыхлом состоянии, то он может быть использован в качестве основания только после его уплотнения или закрепления.

В данной работе опыт проводится с песком средней крупно­сти нарушенной структуры. По коэффициенту пористости г пес­ки подразделяют согласно табл. 5.1.

Таблица 5.1

Разновидности песков	Коэффициент пористости е песков
гравелистых, крупных и средней крупности	мелких	пылеватых
Плотный	е<0,55	е < 0,60	е < 0,60
Средней плотности	0,55 < е £ 0,70	0,60 < е < 0,75	0,60 <е<: 0,80
Рыхлый	е > 0,70	е > 0,75	е > 0,80

Коэффициент пористости вычисляют по формуле

где р, - плотность частиц грунта, принимаемая в данной работе равной 2,65 г/см³; p_d - плотность сухого грунта, г/см³.

Р.* ⁼7Г~> i + w

где р - плотность грунта, г/см³; w - влажность грунта, доли ед.

Определение границы раскатывания состоит в подборе (пу­тем подсушивания) соответствующей влажности грунта.

Для определения границы раскатывания используют грунто­вое тесто, оставшееся от определения границы текучести.

Опыт ведется в такой последовательности:

1. В чашку с грунтовым тестом добавляют немного сухого грунта (порошка) и массу хорошо перемешивают шпателем.

2. Небольшой комочек грунта раскатывают на ладони до об­разования жгута диаметром около 3 мм.

3. Если жгут не распадается на куски, его скатывают в шарик и снова раскатывают в жгут до указанного диаметра. Длина жгута не должна превышать ширины ладони. Раскатывание продолжа­ют до тех пор, пока жгут при диаметре 3 мм не покроется сетью трещин и не начнет распадаться на отдельные кусочки (гранулы) длиной 3...8 мм.

4. Полученные кусочки грунта помещают в бюкс. Во время работы бюкс следует держать закрытым для предохранения грун­та от высыхания. Необходимо набрать не менее 10 г грунта.

5. Определяют влажность грунта w_p и заносят в табл. 4.4.
в) Определение наименования грунта и его консистенции
Пользуясь найденными значениями w_L и w_p, определяют

число пластичности 1_Р, показатель текучести J_L и устанавлива­ют наименование фунта и его консистенцию по табл. 4.1-4,3, при­веденным в начале работы.

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ПЕСЧАНОГО ГРУНТА В ФИЛЬТРАЦИОННОМ ПРИБОРЕ КФ - 1 (ГОСТ 25584-90)

Цель лабораторной работы - определить коэффициент филь­трации грунта.

Степень водопроницаемости - характеристика, отражающая способность грунтов пропускать (фильтровать через свои поры) воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтра­ции м/сут.

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

Коэффициент фильтрации используется при определении при­тока воды к котлованам, Дренажным и водозаборным устройствам, расчете осадки фундаментов во времени, фильтрационных потерь воды через земляные сооружения и т. д.

Если пропускать воду через образец грунта площадью А и тол­щиной / при напоре Н, то за время / профильтруется вода в объеме Q=К^А -It, где / - гидравлический градиент:

~ i "Т"

Отсюда коэффициент фильтрации, см/с:

Коэффициент фильтрации зависит от гранулометрического состава и плотности песка, температуры воды и некоторых дру­гих факторов^В настоящей работе опыт проводится с песком, уло­женным в стальной цилиндр (из лабораторной работы № 5).

Вода для фильтрации подается из мерного сосуда Мариотта 4 (рис. 3), который автоматически поддерживает постоянный уро­вень воды, практически совпадающий с поверхностью песка. По­этому напор//равен пути фильтрации/, т. е.

Так как опыт проводится с песком в воздушно-сухом состоя-' нии, то, пренебрегая его гигроскопической влажностью (считая w = 0)^)пределяем плотность грунта и приравниваем ее к плотно­сти сухого грунта, т. е. считаем, что p_d = р.

Необходимое оборудование и материалы

Коробка с песком. Цилиндр с днищем. Сетка латунная - 2 шт. Ложка и резиновый молоточек. Правило.

Весы. ₍Металлический поддон.

Ход работы

1. Заготовить форму записи (табл. 5.2) и внести в нее объем и массу цилиндра с днищем, которые указаны на стенке самого ци­линдра.

2. В цилиндр, установленный на металлическом поддоне, лож­кой насыпают песок слоями в 1...2 см и уплотняют постукивани­ем резиновым молоточком по цилиндру. Избыток песка срезают правилом. Нужно добиться, чтобы объем песка был строго равен объему цилиндра. Это условие позволит после взвешивания ци­линдра с песком вычислить плотность песка.

3. Вычисляют коэффициент пористости е. По приведенным выше данным ГОСТ 25100-95 устанавливают плотность сложе­ния песка (см. табл. 5.1).

Таблица 5.2

Мерный сосуд Мариотта.

Колба с водой.

Часы с секундной стрелкой.

Ход работы

1. Сосуд 5 заполняют на 2/3 объема водой. Цилиндр с пес­ком / устанавливают на подвижную площадку 6, вращая гайку 7, опускают его в воду и выдерживают до полного водонасыщения (потемнения поверхности) песка.

2. Цилиндр вынимают из сосуда, воду выливают, а подвиж­ную площадку поднимают в верхнее положение.

3. На песок кладут латунную сетку, на цилиндр надевают крышку 3, и цилиндр с песком устанавливают на площадку 6.

4. Мерный сосуд 4 заполняют водой, наливают воду на латун­ную сетку, зажимают отверстие сосуда пальцем, быстро повора­чивают его вверх дном и вставляют в крышку прибора так, чтобы стекло касалось латунной сетки.

5. С появлением пузырьков воздуха в мерном сосуде надо од­новременно взять отсчет по.его шкале,заметить время по секундо-мерной стрелке часов и принять его за / = 0; второй отсчет по ча­сам взять, когда уровень воды совпадет с делением шкалы 90, ре­зультаты записать в табл. 6.1.

6. Не перекладывая песок, следует повторить опыт (см. пп. 4-5).
Коэффициент фильтрации вычисляют с точностью до двух

значащих цифр после запятой. Результаты заносят в табл. 6.1.

Рис. 3. Прибор для определения коэффициента фильтрации КФ-1: / - цилиндр с песком; 2 - перфорированное дно; 3 - крышка; 4 - мерный сосуд Мариотта; 5 - сосуд (корпус прибора); 6 - подвижная площадка; 7 - подъемный винт; 8 - испытуемый образец грунта

Таким образом,

* A-t

Необходимое оборудование

Цилиндр с песком (из работы № 5).

Сосуд с внутренней подвижной площадкой.

Пластмассовая крышка (муфта) и латунная сетка.

ное) давление р передается на цилиндрический образец грунта 1, находящийся в приборе, через рычаг 2 посредством гирь 3, а го­ризонтальная (сдвигающая) сила F— через рычаг ■/.Отношение плеч обоих рычагов 1:10.

В ходе эксперимента сдвигающая сила постепенно (ступеня­ми) увеличивается до тех пор, пока ее величина не превзойдет прочность образца на сдвиг.

В данной работе необходимо найти величины предельной сдвигающей силы F_u при вертикальных давлениях 0,1; 0,2 и 0,3 МПа. Для этого учебную группу делят на подгруппы, каждая из которых выполняет опыт на сдвиг.

Необходимое оборудование

Сдвижные приборы с наборами гирь. Индикаторы для измерения деформаций. Часы с секундной стрелкой. Образцы глинистого грунта в кольцах - 3 шт.

Подготовительные работы

До начала проведения опыта в сдвижные приборы помещали три одинаковых образца глинистого грунта, где они уплотнялись в течение 24 ч (до полного загасания осадок).

Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА СДВИГУ (ГОСТ 20276-99)

Цель лабораторной работы - определить удельное сцепле­ние и угол внутреннего трения пылевато-глинистого грунта.

Сопротивление сдвигу т_и определяется в условиях предель­ного равновесия грунта и равняется наименьшему касательному напряжению т', при котором грунт, находящийся поднормальным давлением р, разрушается (сдвигается).

В песчаных (несвязных) грунтах сопротивление сдвигу обус­ловлено силами внутреннего трения между частицами грунта.

Сопротивление сдвигу связных грунтов складывается из двух частей: сил внутреннего трения и сил сцепления. Только преодо­лев эти силы, можно вызвать сдвиг одной части грунта относи­тельно другой.

Зависимость между сопротивлением сдвигу и нормальным давлением устанавливается экспериментально.

Предельное сопротивление грунтов сдвигу есть функция пер­вой степени от нормального давления (закон Кулона):

для песчаных грунтов т_и=р • tg ф; для глинистых - т_и=р • tg ф + с;

где х_и - сопротивление сдвигу, МПа; р - нормальное напряжение по площадкам сдвига, МПа; ф - угол внутреннего трения, град; с - удельное сцепление, МПа.

В результате эксперимента получают прочностные характери­стики грунта ф и с. Их используют при определении расчетного сопротивления грунта, оценке устойчивости сооружений и земля­ных откосов, определении бокового давления грунта на ограждаю­щие конструкции и решении ряда других задач.

Различают быстрый сдвиг, когда за время испытаний влажность практически не изменяется (закрытая система), и медленный, когда вода свободно выдавливается из пор грунта (открытая система).

В лаборатории СПбГАСУ опыт проводится по открытой сис­теме в сдвижном приборе ПСГ-2 (рис. 4). Нормальное (вертикаль-

До начала работы необходимо научиться быстро и правильно брать отсчеты по индикатору. Индикатор (рис. 5) - измеритель­ный прибор пружинного типа. На малом круге циферблата I от-считываются целые миллиметры, а на большом 2 - доли милли­метра. Цена деления большого круга - 0,01 мм; тысячные доли при отсчете берутся на глаз. Отсчет снимается по черным циф­рам. Отсчет на рис. 5 равен 2,258 мм.

Рис. 5. Индикатор для измерения деформаций Ход работы

1. В табл. 7.2 записывают вес гирь первой ступени нагрузки (указан в табл. 7.1) и показания индикатора 10.

2. Стопорные винты 5, соединяющие верхнюю б и нижнюю 7 каретки сдвижного прибора, вывинчивают так, чтобы их концы на 3...5 мм не доходили до выступов нижней каретки.

3. На верхнюю резьбовую часть винтов 5 навинчивают гай­ки 8 до упора в перекладину. Затем, придерживая винт за утол­щенную часть с накаткой 9 (чтобы он не вращался), следует обе гайки 8 одновременно повернуть еще на 1-2 оборота так, чтобы между верхней и нижней каретками сдвижного прибора образо­вался зазор I... 1,5 мм.

4. Устанавливают индикатор 10 в специальный держатель так, чтобы ножка индикатора упиралась в верхнюю каретку сдвижного прибора и отсчет по малому лимбу составлял примерно 8...9 мм.

5. Подготавливают гири для передачи на образец первой сту­пени сдвигающей нагрузки (вес гирь указан в табл. 7.1).

Образец № 1 уплотнялся при нормальном давлении р, = 0,1 МПа, образец № 2 - при р_г = 0,2 МПа и № 3 - при р_ъ = 0,3 МПа.

До начала эксперимента нужно перенести в тетрадь табл. 7.1, где указаны величины ступеней сдвигающих нагрузок, подобран­ных так, что приращение касательных напряжений первой ступе­ни составляет q\ = 0,2рА, второй — q₂-0,1 рА, третьей и всех пос­ледующих - q - 0,05 рА.

Таблица 7.1

Затем готовят форму для записи данных, получаемых в ходе проведения опыта (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Данные хода опыта по определению предельной сдвигающей нагрузки при нормальном напряжении р = МПа

деформация сдвига 5 после приложения очередной ступени горизонтальной нагрузки не загасает за время / > 8 мин, т. е. за каждую последующую минуту разница 8., - 8_у будет превышать 0,02 мм;

суммарная деформация сдвига Д достигает 4 мм (Д > 4 мм).

10. За предельную сдвигающую нагрузку F_u принимают го­ризонтальную нагрузку перед разрушением образца (без после­дней ступени):

'=>

Касательное напряжение т' в плоскости сдвига, соответству­ющее нагрузке F_u, принимают равным сопротивлению грунта сдви­гу при данном нормальном Напряжении р:

где А - площадь поверхности сдвига, равная 40 см².

Обработка результатов испытаний

Обработка результатов испытаний заключается в определе­нии сопротивления грунта сдвигу х_н при вертикальных напряже­ниях p_vp₂ и/?₃ и построении графика зависимости т„ = /(/>):

1.
Результаты всех сдвиговых испытаний заносятся в табл. 7.3.

2. График зависимости т„ -f{p) (рис. 7) строят в одинако­вом масштабе для т и р, который рекомендуется принять:

3. Рычаг передачи горизонтальной нагрузки соединяют тро­сом с верхней кареткой сдвижного прибора, набросив трос на ро­лик каретки.

4. Прикладывают первую ступень q_t сдвигающей силы. Один студент укладывает на подвеску плавно, без удара, гири первой ступени, а другой замечает время. Третий студент через каждые 60 с снимает отсчет (показания) по индикатору и записывает их в табл. 7.2.

Сдвигающую нагрузку выдерживают до тех пор, пока два последующих отсчета по индикатору не будут отличаться друг от друга менее чем на 0,02 мм (два деления по большому лимбу ин­дикатора). После этого, не снимая первой ступени q_t, добавляют вторую ступень нагрузки q₂ (рис. 6).

8. Вторую и все последующие ступени сдвигающей нагрузки q₃ - q. прикладывают и выдерживают так же, как и первую сту­пень.

9. Сдвигающую нагрузку увеличивают до разрушения (сдви­га) образца.

Начало разрушения определяют по двум признакам (см. рис. 6): кривой определяют коэффициент сжимаемости т₀ (по нему - ко­эффициент относительной сжимаемости т~), а затем вычисляют модуль деформации Е, МПа, исходя из следующих зависимостей:

(О

М^{1 + е}о)_Ро ■

Е = -

т_п т..

2-v²

Э₀ = 1-— (2) (принять для песка v = 0,25, для глины v = 0,35);

Щ

^mo=-—~- (4)
Рг ~Р\ ^V '

Здесь Р₀ - безразмерный коэффициент, зависящий от коэффи­циента бокового расширения грунта v; m_v - коэффициент относи­тельной сжимаемости, МПа¹; e_t, е₂ - коэффициенты пористости, соответствующие напряжениям р_х и р_г.

Коэффициент пористости для построения компрессионной кривой в данной работе определяется по изменению в ходе опыта высоты образца грунта.

Кроме определения модуля деформации, в данной работе изу­чается характер развития осадки песчаного и глинистого грунтов во времени.

Деформации образца песчаного грунта происходят очень бы­стро и завершаются (стабилизируются) в течение нескольких ми­нут. В образце глинистого грунта деформации развиваются мед­ленно и заканчиваются через несколько часов (около суток). Ана­логично в натурных условиях: осадка зданий на песчаном основа­нии завершается за период строительства, а на глинистых - про­должается много лет.

Необходимое оборудование и материалы

Рычажный пресс для приложения нагрузки (рис. 8). Одометр с глинистым грунтом (2 образца). Одометр с песчаным грунтом (2 образца).

5 см = 0,1 МПа. По полученным опытным точкам проводят осред-ненную прямую до пересечения с осью ординат.

х_т МПа

3. Угол внутреннего трения грунта ф и удельное сцепление с определяют из графика: ф - по тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс или с помощью транспортира с точностью до 1 °; с - по масштабу, как отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, с точностью до 0_?001 МПа.

Лабораторная работа № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА И ХАРАКТЕРА РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ ВО ВРЕМЕНИ (ГОСТ 20276-99)

Цель лабораторной работы - определить модуль деформа­ции песчаного и глинистого грунтов.

V Модуль деформации является одним из показателей сжимае­мости грунта и используется в расчетах осадок фундаментов. Он аналогичен модулю упругости для твердых тел, но, в отличие от последнего, учитывает как упругие, так и остаточные деформации.

Модуль деформации определяется в полевых условиях испы­танием грунта в шурфах и скважинах с помощью штампов, а в ла­бораторных условиях - в стабилометрах или по результатам ком­прессионных испытаний. В последнем случае по компрессионной структуры, а в бкжсы взяты пробы грунта для определения влаж­ности.

Рабочие кольца с грунтом до компрессионных испытаний были взвешены, после чего рассчитана плотность грунта (см. лабора­торную работу № 2). По влажности и удельному весу определены начальные коэффициенты пористости е₀ глинистого и песчаного грунтов (см. лабораторную работу № 3).

Одометры с грунтом были установлены под рычажные прес­сы. До приложения нагрузки (при р₀ = 0 МПа) были поставлены индикаторы и записаны исходные отсчеты по ним. Затем к образ­цам была приложена первая ступень нагрузки, созданная весом гирь 30 Н и соответствующая давлению /?, = 0,05 МПа (см. таб­личку у прибора). При этом давлении образцы уплотняли в тече­ние суток (Г= 24 ч) до полной стабилизации осадок.

Ход работы

1. Подготовить табл. 8.1.

2. Перенести показания индикаторов прир₀ = 0 МПа в табл. 8.1 (см. табличку у приборов).

3. При давлении р_х - 0,05 МПа (перед приложением второй ступени нагрузки) снимают и записывают в таблицу отсчеты по индикаторам. Эти же отсчеты дублируют в следующей строке при р₂ = 0,2 МПа и / = 0.

Все отсчеты берут с точностью до 0,001 мм.

4. Прикладывают (добавляют) вторую ступень нагрузки к об­разцу с глинистым грунтом. Для этого на подвеску рычага плавно опускают гири весом 90 Н (давление доводят до р₂ = 0,2 МПа), в этот момент замечают время по секундной стрелке.

5. Через 1 мин два наблюдателя берут первый отсчет одновре­менно по двум индикаторам. При этом первые цифры отсчета за­мечают заранее, а в момент снятия отсчета уточняют последние цифры (сотые и тысячные). Точно так же берут последующие от­счеты в моменты времени, указанные в табл. 8.1.

Время отсчитывают от начала приложения второй ступени на­грузки.

6. Испытание образца песка выполняют аналогично. Этот опыт рекомендуется начать после 10-й минуты испытания глини­стого образца.

Индикаторы для измерения деформаций - 8 шт. Секундомер,

Подготовительные работы

Уплотнение образцов грунта происходит в металлических рабочих кольцах одометров без возможности его бокового расши­рения. Высота колец h = 20 мм, а площадь А = 60 см².

При подготовке опыта из монолитов грунта в кольца были отобраны образцы песчаного и глинистого грунтов ненарушенной

Для получения величин деформаций во времени (гр. 6) от воз­действия второй ступени давления (р=р₂-р₁, МПа) нужно из сред­него значения при t =,0 вычитать последовательно средние значе­ния для моментов времени / = 1,2,3 мин и т. д. При t-0 деформа­ция 5=0.

8. Для получения полной деформации при каждой величине давления (гр. 7) нужно из среднего значения отсчетов при р₀ =0 (в этот момент деформации ДА = 0) последовательно вычесть сред­ние значения при р_х и при р_г в момент окончания опыта.

Ниже приводится пример заполнения табл. 8.1 при р_х = 0,05 МПа и р₂ = 0,20 МПа (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Нужно иметь в виду, что от второй ступени давления дефор­мации глинистого грунта не успевают завершиться за время про­ведения опыта, и величина деформации при t- 60 мин условно принимается за конечную.

9. По данным табл. 8.1 (гр. 1 и 7) заполняется табл. 8.3. При этом начальные коэффициенты пористости (приp_Q = 0) принимают для глины е₀ = 1,100, а для песка е₀ = 0,800. Все вычисления про­изводят с точностью до 0,001.

7. Одновременно с занесением в табл. 8.1 отсчетов по инди­каторам заполняют все остальные ее графы.

В гр. 5 вносят средние арифметические значения из показа­ний двух индикаторов.

12. По данным табл. 8.1 (гр. 6) строят кривые нарастания де­формаций во времени от второй ступени давления (рис. 10). Мас­штабы: для S- 1 см = 0,1 мм, для г- 1 см = 2 мин.

10. По данным табл. 8.3 строят -компрессионные кривые для песчаного и глинистого грунтов (рис. 9). При построении принять следующие масштабы: для р - 4 см = 0,1 МПа, для е -1 см = 0,100. По вертикальной оси за начало координат нужно принять е = 0,600.

Рис. 9. Компрессионные кривые

И. Для обоих грунтов определяют коэффициенты сжимаемо­сти m_Q и /и, и модули деформации Е₀ в интервале давлений от р_% = 0,05 МПа до р₂ = 0,2 МПа или в другом интервале (по указа­нию преподавателя).

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Составители: Карлов Владислав Дмитриевич,

Мангушев Рашид Александрович, Городнова Елена Владимировна

Редактор Л. А. Мозгунова Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка М. Н. Миклин

Подписано к печати 11.01.06. Формат 60*84'/,,.. Бумага офсетная. Объем 2,5 усл. печ. л. 2,67 уч.-изд. л. Тираж 500 экз. Заказ 7. "С" 5

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................... „........................................................................................... 1

Лабораторная работа № 1. Определение гранулометрического

состава грунта (полевой метод).................................................................... 2

Лабораторная работа № 2. Определение плотности фунта методом

режущего кольца (ГОСТ 5180-84)............................................................... 7

Лабораторная работа № 3. Определение влажности грунта методом

взвешивания (ГОСТ 5180-84)....................................................................... 9

Лабораторная работа Mb 4. Определение характерных влажностей

й консистенции пылевато-глинистого грунта (ГОСТ 5180-84)................ 12

Лабораторная работа № 5. Определение плотности сложения песка............... 17

Лабораторная работа № 6. Определение степени водопроницаемости

песчаного фунта в фильтрационном приборе КФ-1 (ГОСТ 25584—90).. 19

Лабораторная работа № 7. Определение характеристик предельного

сопротивления фунта сдвигу (ГОСТ 20276-99)........................................ 22

Лабораторная работа № 8. Определение модуля деформации фунта и характера развития деформации фунтов

во времени (ГОСТ 20276-99)...................................................................... 28

»

Дата добавления: 2015-08-28