Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
99999
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Кафедра оснований, фундаментов, динамики сооружений и
инженерной геологии
Методические указания по выполнению лабораторных работ
для всех строительных специальностей
Казань 2011
УДК 624.131
ББК 38.58
С40
Механика грунтов. Лабораторные занятия. Методические указания предназначены для студентов всех специальностей и форм обучения/ Сост.: А.Н. Драновский. – Казань: КГАСУ, 2011-36с.
Печатается по решению Редакционно-издательского совета Казанского государственного архитектурно-строительного университета.
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.
Рецензент: начальник инженерно-геологического отдела ОАО «КазТИСИЗ», заслуженный геолог РТ Р.К Галеев.
УДК 624.131
ББК 38.58
С40
©Казанский государственный архитек-
турно-строительный университет, 2011
©Драновский А.Н., 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..............................................................................................4
Правила для студентов.........................................................................4
Контрольные вопросы..........................................................................34
Литература..........................................................................................35
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:
В процессе проведения работ необходимо:
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:
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 ; влажностьW и плотность частиц грунта 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 Sr 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 WL , влажность на границе раскатывания Wp, число пластичности Iр и показатель текучести IL.
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.
Плотность грунта определяется из соотношения:
=,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.
V= (1.2)
где d – внутренний диаметр кольца, см; h – высота кольца, см. Размеры кольца замеряют с точностью 0,01 см.
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.
, г/см3 (1.3)
|
Вид грунта |
Объем кольца, |
Масса, г |
Плотность , г/см3 |
||
|
Кольца, m1 |
Кольца с грунтом и стеклом, m2 |
Стекла, m3 |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Песчаный |
|||||
|
Глинистый |
Влажностью W называют отношение массы воды mW, содержащейся в порах грунта, к массе сухого грунта ms
W = , д.ед (1.4)
или
W = , % (1.5)
В лаборатории влажность определяют весовым методом путем взвешивания пробы влажного грунта и после его высушивания в сушильном шкафу при температуре 100-1050 С до постоянной массы.
Влажность определяют для тех же грунтов, для которых определялась плотность.
, д. ед. (1.6)
Работа выполняется одинаково для песчаного и глинистого грунтов.
|
Вид грунта |
№ бюкса |
Масса, г. |
Влажность W, д.ед |
||
|
Бюкса, |
Бюкса с влажным грунтом,m2 |
Бюкса с сухим грунтом, m3 |
|||
|
Песчаный |
|||||
|
Глинистый |
При изменении влажности свойства глинистых грунтов существенно меняются. В зависимости от содержания воды, количества и минералогического состава глинистых частиц грунт может иметь твердую, пластичную или текучую консистенцию.
Для классификации глинистых грунтов и оценки их состояния по консистенции необходимо знать те характерные влажности Wp и WL, при которых грунт переходит из твердого состояния в пластичное, а из пластичного состояния в текучее. Характерные влажности Wp и WL называют также границами пластичности: Wp – нижний предел пластичности, WL – верхний предел пластичности. Кроме того, часто используют термины: WP – граница раскатывания, WL – граница текучести.
Введение границ между консистенциями достаточно условно. Поэтому для определения Wp и WL ГОСТ 5180-84 предусматривает стандартные испытания, условия которых следует тщательно исполнять.
3.1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИЖНЕГО ПРЕДЕЛА ПЛАСТИЧНОСТИ
WP – ГРАНИЦЫ РАСКАТЫВАНИЯ
Границей раскатывания считают такую влажность, при которой грунт, раскатываемый в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3-8 мм.
Определение границы раскатывания состоит в подборе (путем подсушивания) такой влажности, при которой из грунта удается получить требуемый жгут.
Работа производится в следующей последовательности.
3.2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРХНЕГО ПРЕДЕЛА ПЛАСТИЧНОСТИ
WL – ГРАНИЦЫ ТЕКУЧЕСТИ
Под границей текучести подразумевают такую влажность, при которой стандартный конус весом 76 г с углом при вершине 30 погружается в грунтовое тесто на 10 мм за 5 с.
Работа производится в следующей последовательности.
3.2.1. Грунтовое тесто с помощью шпателя переносят (“вмазывают”) в стандартный металлический стаканчик, не допуская наличия воздушных полостей. Поверхность грунта заглаживают вровень с краями стаканчика.
3.2.2. Стаканчик устанавливают на подставку. (рис.1.1).
Рис.1.1. Балансирный конус А. М. Васильева.
К поверхности грунта подносят острие конуса, смазанного тонким слоем вазелина, так, чтобы острие его коснулось поверхности грунта. Отпускают конус, включая одновременно секундомер, и следят в течении 5 с за погружением конуса под влиянием собственного веса.
3.2.3. Погружение на 10 мм (до риски) в течение 5 с показывает, что влажность грунтового теста соответствует влажности на границе текучести. В этом случае из стаканчика берут пробу 10-15 г и определяют ее влажность в соответствии с п.2.
3.2.4. Погружение конуса на глубину менее 10 мм за 5 с служит показателем того, что влажность грунта ниже влажности на границе текучести. В этом случае грунтовое тесто перекладывается в чашку, и после добавления воды и тщательного перемешивания опыт повторяют.
3.2.5. Если конус погрузится в грунт более чем на 10 мм, то следует добавить сухого грунта, смесь тщательно перемешать и повторить опыт.
Результаты испытаний заносят в таблицу.
|
Пределы пластичности |
№ бюкса |
Масса, г |
Влажность |
||
|
Бюкса, m1 |
Бюкса с влажным грунтом, m2 |
Бюкса с сухим грунтом, m3 |
|||
|
Нижний Wp |
|||||
|
Верхний WL |
На основании трех основных физических характеристик расчетным путем следует определить производные характеристики грунтов.
Ниже использованы обозначения: V – объем всего грунта; V3 – объем частиц грунта; Vп – объем пор; VW– объем воды; m – масса всего грунта, равная m = mW + ms, где mW – масса воды в грунте; ms – масса частиц в грунте. При расчетах плотность частиц грунта s – задается преподавателем.
Плотностью сухого грунта d называют отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта при ненарушенной структуре
d = (1.7)
Величина d характеризует плотность сложения грунта и особенно широко используется для оценки качества уплотнения грунтов в подушках, насыпях и других земляных сооружениях.
Плотность сухого грунта вычисляют по формуле:
d = , г/см3 (1.8)
Пористостью n называют отношение объема пор ко всему объему грунта
n = , д. ед. или n = 100, % (1.9)
Пористость часто выражают в процентах.
Пористость вычисляют по формулам:
n = 1 – или n = , д. ед. (1.10)
Коэффициентом пористости e называют отношение объема пор к объему частиц грунта:
е = , д. ед. (1.11)
Понятие коэффициента пористости используется чрезвычайно широко, так как при воздействиях на грунт объем частиц остается постоянным, а изменение объема пор наглядно характеризуется изменением е.
Коэффициент пористости определяют по формулам
е = или е = , д.ед. (1.12)
Коэффициентом водонасыщения Sr называют степень заполнения объема пор водой.
Sr = , д. ед. (1.13)
Крупнообломочные и песчаные грунты по коэффициенту водонасыщения называются:
малой степени водонасыщения 0Sr0,5
средней степени водонасыщения 0,5Sr0,8
насыщенные водой 0,8Sr1
Коэффициент водонасыщения вычисляют по формуле:
Sr = , д. ед., (1.14)
где W – плотность воды, равная 1 г/см3.
Числом пластичности Iр называют разность влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания Wp.
Iр = WL– Wp , % (1.15)
По ГОСТ 25100-95 WL и Wp выражаются в процентах.
Число пластичности характеризует величину интервала влажности, в пределах которого глинистый грунт сохраняет пластичное состояние.
Показателем текучести IL называют отношение разностей влажностей, соответствующих двум состояниям грунта, естественному W и на границе раскатывания Wp , к числу пластичности Iр,
, д. ед (1.16)
Показатель текучести IL используется для численной оценки консистенции грунта. Поэтому нередко его еще называют и показателем консистенции.
Для оценки строительных свойств грунтов производится их классификация по ГОСТ 25100-95 и нормирование по СНиП 2.02.01-83.
Для песчаных грунтов определяются:
Для глинистых грунтов определяются:
Гранулометрический состав грунтов сообщает преподаватель.
На основании физических характеристик и классификации грунтов производится косвенное определение модуля деформации Е и расчетного сопротивления R0 основания (по Прил.1 и 3 СНиП 2.02.01-83). Эти параметры используют для предварительных расчетов при определении размеров фундаментов, а в некоторых случаях, специально оговоренных в п.2.16, 2.42, 3.10,8.4 и 11.5 СНиП 2.02.01-83, и для назначения окончательных размеров фундаментов.
Результаты классификации и нормирования сводятся в таблицы:
|
Вид грунта |
Разновидность песка |
Расчетное сопротивление R0, кПа |
Модуль деформации Е, МПа |
||
|
По грануломет-рическому составу |
По коэффициенту водонасыщения Sr |
По коэффициенту пористости е |
|||
|
Песок |
|
Вид грунта |
Разновидность глинистого грунта |
Коэфф. пористости e |
Расчетное сопротивление R0, kПа |
Модуль деформации Е, МПа |
||
|
По показателю пластичности Ip |
По грансоставу и показателю пластичности Ip |
По показателю текучести IL |
||||
|
Глини-стый |
Кроме того, необходимо по табл. Б.27 ГОСТ 25100-95 определить относительную деформацию пучения fh и оценить разновидность песка и глинистого грунта по пучинистости при промерзании.
СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ.
МЕТОД КОМПРЕССИОННОГО СЖАТИЯ
Цель работы – ознакомление с методикой основного лабораторного способа оценки сжимаемости грунтов и использование найденных характеристик для расчета осадки основания.
Задачи работы:
Сжимаемостью грунтов называется их способность уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки. Как правило, считается, что сжимаемость обусловлена уменьшением пористости, а частички скелетной части грунта и вода в порах несжимаемы. Разумеется, это положение не относится к частицам органического происхождения.
Сжимаемость грунтов при испытании компрессионным методом характеризуется компрессионной кривой, выражающей зависимость изменения коэффициента пористости от давления, передаваемого на грунт.
Метод компрессионного сжатия используют для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости m0, модуля деформации Е, структурной прочности на сжатие Рstr. Эти характеристики определяют по результатам испытания образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой.
Характеристики сжимаемости (деформативности) необходимы для расчета осадок оснований и земляных сооружений.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЖИМАЕМОСТИ
С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА КОМПРЕССИОННОГО СЖАТИЯ
КПР-1 ГИДРОПРОЕКТА
В состав установки для испытания входят компрессионно-фильтрационный прибор (одометр) (рис.2.1.а) и рычажный пресс секторного типа (рис.2.1.б).
Основой прибора служит база 1, с верхней стороны которой выточено углубление, в котором уложено перфорированное дно 2. Вода через отверстия в дне 2 отводится или подводится к образцу грунта через штуцер 3.
Кольцо-обойма 4 ввинчивается в базу 1 и является направляющим для зажимного кольца 5, в котором находится образец грунта. С одного конца зажимное кольцо 5 заточено в виде ножа.
Стяжное кольцо 6 ввинчивается в кольцо-обойму 4 и прижимает кольцо 5 с грунтом к днищу 2. На образец устанавливается штамп 7, который имеет возможность вертикального перемещения в направляющем зажимном кольце 6. Внутренняя поверхность кольца 4 должна быть смазана машинным маслом.
Система измерения вертикальных перемещений штампа 7 включает консольный держатель 8, на котором закрепляется индикатор перемещений часового типа 9 с ценой деления 0,01 мм.
Рычажный пресс секторного типа включает загрузочную рамку 10, соединенную с тяговым тросом 11 посредством натяжного винта 12 с гайкой 13. К сектору 14 прикрепляется грузовой трос 15 с подвеской 16. Секторный рычаг уравновешивается противовесом 17.
Рычажная система увеличивает вертикальную нагрузку от веса гирь 18 в 10 раз.
Кроме того, необходимо иметь: нож с прямым лезвием, фильтровальную бумагу, ветошь.
Рис. 2.1. Компрессионно-фильтрационный прибор (одометр) конструкции Гидропроекта.
Рис.2.2. Схема установки испытания
Работа проводится с заранее подготовленным глинистым грунтом пластичной консистенции нарушенной структуры.
Вертикальная нагрузка на образец создается с помощью гирь, устанавливаемых на подвес 16. Гири необходимо ставить очень плавно, без ударов.
Испытание ведется при ступенчато-возрастающей нагрузке. Каждая ступень нагрузки выдерживается до тех пор, пока не наступит условная стабилизация деформации грунта.
По ГОСТу 12248-96 за критерий условной стабилизации деформаций принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм за последние 4 часа наблюдений для песков, 16 часов – для глинистых грунтов и 24 часа – для биогенных грунтов. Учебный опыт производится ускоренно: каждая ступень нагрузки выдерживается 7 минут. Испытание производится при трех ступенях давления: Р1 = 50 кПа; Р2 = 100 кПа; Р3 = 200 кПа.
Результаты испытаний заносятся в журнал:
Журнал испытания грунта методом компрессионного сжатия:
|
Дата испытаний |
№ ступени нагрузки |
Время снятия отсчета по индикатору от начала опыта, мин |
Масса груза на подвеске рычага, кг. |
Давление на образец грунта Р, МПа |
Показание индикатора деформации образца, S , мм |
Относительная деформация образца |
Коэфф. пористостости грунта еi=е0– –(1+е0) |
|
|
лев |
прав |
|||||||
2.3.1. По результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:
а) относительную стабилизированную вертикальную деформацию образца i, за которую принимают деформацию при выдерживании ступени нагрузки в течение 7 минут
(2.1)
где Si – вертикальная деформация образца к моменту завершения выдержки очередной ступени нагрузки; h – начальная высота образца, равная 25 мм.
б) значение коэффициентов пористости еi грунта при давлении Рi в момент окончания выдержки очередной ступени нагрузки, вычисляемые по формуле:
еi = е0 – i (1+е0)
где е0 – начальный коэффициент пористости грунта при нулевом давлении (задается преподавателем).
2.3.2. По вычисленным значениям еi строят график компрессионной зависимости еi = f(Pi)
Рис.2.3 График компрессионной зависимости
2.3.3.По графику определяют коэффициент сжимаемости m0, равный тангенсу угла наклона компрессионной кривой, выровненной в интервале давлений Рi и Pi+1
m0 = , МПа–1 (2.2)
где еi и еi+1 – коэффициенты пористости, соответствующие давлениям Рi и Pi+1.
2.3.4.Модуль деформации Е, МПа в интервале давлений Рi и Pi+1 вычисляют по формулам:
или Е k= 0 (2.3)
где i и i+1 – значения деформаций относительного сжатия, соответствующие давлениям Рi и Pi+1;
– коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе, вычисляемый по формуле
= 1 – (2.4)
где – коэффициент поперечной деформации, принимаемый равным: 0,3–0,35 – для песков и супесей; 0,35-0,37 – для суглинков; 0,2-0,3 – при IL - при 0IL0,25 0,38-0,45 при 0,25IL – для глин. При этом меньшие значения принимают при большей плотности грунта.
Модули деформации пылевато-глинистых грунтов, определенные при компрессионных испытаниях, не считаются вполне достоверными. Поэтому они должны корректироваться. Для зданий I и II класса корректировка должна производиться путем параллельно проводимых сопоставительных испытаний штампами, зондированием, либо прессиометрами. Для зданий III класса допускается производить расчет осадок по результатам компрессионных испытаний глинистых грунтов с показателем текучести 0,5< IL ≤1 с использованием корректировочной формулы:
Е = mk Ek (2.5)
где Ек – модуль деформации, определенный по компрессионным испытаниям в интервале давлений 0,1 – 0,2 МПа; mк – корректировочный коэффициент, определенный на основе массовых сопоставительных испытаний грунтов в компрессионных приборах и штампами в полевых условиях:
|
Вид грунта |
Значение коэффициентов mк при коэффициенте пористости е0 , равном |
||||||
|
0,45 |
0,55 |
0,65 |
0,75 |
0,85 |
0,95 |
1,05 |
|
|
Супеси |
4 |
4 |
3,5 |
3 |
2 |
- |
- |
|
Суглинки |
5 |
5 |
4,5 |
4 |
3 |
2,5 |
2 |
|
Глины |
- |
- |
6 |
6 |
5,5 |
5 |
4,5 |
Такая задача является одномерной, так как деформации возникают только в вертикальном направлении. Горизонтальных деформаций, как и в компрессионном приборе, нет.
Для определения осадки слоя используют результаты компрессионных испытаний. При расчете принимают, что давление на грунт изменяется от начального природного, рассчитанного для середины слоя, до конечного.
В качестве конечного давления принимают сумму среднего природного давления и дополнительного.
Конечная стабилизированная осадка слоя вычисляется по формуле:
S = (2.6)
Исходные данные: мощность слоя h = 10 м, дополнительное давление Р0 = 0,2 МПа. Плотность грунта задает преподаватель.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ
Цель работы – ознакомление с методом одноплоскостного среза и применение параметров прочности при расчете устойчивости подпорной стенки.
Задачи работы: 1) проведение испытания на прямой срез; 2) определение прочностных характеристик грунта; 3) решение задачи с применением прочностных характеристик.
Сопротивление сдвигу характеризует прочность грунтов. В настоящее время считается, что разрушение грунта происходит в тот момент, когда величина касательных напряжений на поверхности разрушения достигает своего предельного значения, равного сопротивлению грунта сдвигу
(3.1)
где – угол внутреннего трения грунта; С – удельное сцепление; Р и пр – нормальные и касательные напряжения, соответственно, действующие на поверхность разрушения.
Цель испытания грунтов на прочность – определить значения пр, соответствующие различным значениям Р, выписать систему уравнений (как минимум двух) (3.1), и найти из решения системы два неизвестных – параметры прочности и С.
Параметры прочности могут быть найдены с помощью разных приборов, например, трехосного сжатия, одноосного сжатия с фиксированной плоскостью разрушения, кручения, вращательного сдвига. Однако наиболее простое и наглядное испытание производят на приборах прямого сдвига, которые по ГОСТ 12248-96 называют приборами одноплоскостного среза.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ МЕТОДОМ
ОДНОПЛОСКОСТНОГО СРЕЗА
1.1.Образцы грунта испытывают в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой. Сдвиг производят возрастающей касательной (горизонтальной) нагрузкой при одновременном воздействии на образец постоянной нагрузки, нормальной к плоскости среза.
1.2.Сопротивление срезу определяют как предельное касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном напряжении Р.
Рис.3.1 Общий вид прибора П10-С для испытания грунтов на сдвиг.
1 – основная часть прибора; 2 – рычажная система для вертикальной нагрузки с подвесками для грузов; 3 – противовес рычажной системы 2; 4 – струбцина для крепления прибора и рычажной системы 2; 5 – рычаг для горизонтальной нагрузки с подвеской и грузами; 6 – индикатор вертикальных перемещений поршня; 7 – индикатор горизонтальных перемещений нижней каретки; 8 – грузовой подвес вертикальной нагрузки; 9 – грузовой подвес горизонтальной нагрузки; 10 приспособление для перемещения образца грунта из гильзы в прибор; 11 – грунтоотборная гильза
Рис.3.2 Разрез по основной части прибора:
1 – индикатор; 2 – шток с поршнем; 3 – цилиндр; 4 – винт тормозной; 5 – разрезная гильза; 6 – каретка; 7 – рычаг; 8 – держатель рычага, 9 – винт упорный; 10 – основание прибора.
Испытание производится на приборе П 10-С (рис.3.1 и 3.2).
В состав прибора входят (рис.3.2):
Механизм для вертикального нагружения образца грунта (рис.3.1) состоит их рычажной системы, включающей телескопический рычаг 2 с подвесками для грузов 8 и противовеса 3.
Механизм для горизонтального нагружения (создания касательной нагрузки) (рис.3.1) состоит из рычага 5 с подвеской для грузов 9.
Рычажные системы дают 25 – кратное увеличение нагрузки.
Противовес 3(рис.3.1) служит для предварительного уравновешивания веса рычажной системы вертикальной нагрузки. До загружения подвеса 8 давление на шток поршня 2 (рис. 3.2)должно быть равно 0.
Кроме того, в комплект оборудования должны входить: 1 – грунтоотборная гильза 11 (рис.3.1);2 – приспособление 10 для перемещения образца грунта из гильзы 11 в прибор (рис.3.1); 3 – лопатка;4 – пестик для уплотнения грунта в гильзе; 5 – нож с прямым лезвием;6 – фильтровальная бумага.
3.1.ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
Работа проводится с песчаным влажным грунтом нарушенного сложения. Плотность образцов принимается одинаковой во всех опытах.
Один из членов бригады определяет влажность грунта (см. лабораторную работу №1)
3.2. ПРОВЕДЕНИЕ КОНСОЛИДИРОВАННО-ДРЕНИРОВАННОГО ИСПЫТАНИЯ
Схема консолидировано – дренированного испытания применяется для определения прочностных характеристик грунта при его 100% консолидации под действием заданного нормального напряжения.
Нагружение образца проводят плавно без ударов, загружая подвесы гирями. Стандартные гири имеют массу 0,1; 0,2 и 0,5 кг. Расчет напряжений, передаваемых на образец, производят из следующих соображений. Рычажные системы вертикальной и горизонтальной нагрузок дают 25-кратное увеличение веса груза. Площадь среза равна 25 см2 или 2510-4 м2.
Нормальная N и сдвигающая Т силы, действующие на плоскость среза равны:
N = 25Q1g, H (3.2)
T = 25Q2g, H (3.3)
где Q1 и Q2 – массы грузов на рычагах, создающих вертикальное и горизонтальное усилия, кг.
Нормальные и касательные напряжения вычисляются по формулам:
Р = (3.4)
= (3.5)
Рычаг горизонтальной нагрузки неуравновешен и его собственный вес создает дополнительное сдвигающее напряжение, равное 0,0108 МПа. Поэтому полная величина касательного напряжения равна:
= *+0,0108 МПа (3.6)
при расчетах допускается округление (например, Р = 0,0981 МПа= 0,1 МПа)
В дальнейшем описании воспользуемся округленными значениями напряжений.
3.2.2. Определение сопротивления срезу производится не менее чем при трех различных значениях Р. Рекомендуется выполнить три опыта на срез при вертикальных напряжениях: Р1 = 0,1; Р2 = 0,2; Р3 = 0,3 МПа.
Для первого опыта при Р = 0,1 МПа необходимо поставить на подвес 8 (рис.3.1) гири массой 1 кг.
Вертикальную нагрузку выдерживают до условной стабилизации деформации сжатия. Для учебных опытов принимают, что деформация стабилизировалась, если деформация сжатия не превышает 0,1 мм за 1 минуту.
3.2.3. После условной стабилизации вертикальной деформации сжатия образца вывинчивают горизонтальные винты 9 (рис.3.2) на 5-6 мм для обеспечения возможности горизонтального перемещения каретки 6 (рис.3.2)
3.2.4. Горизонтальную нагрузку прикладывают ступенями. Для этого нагружают гирями подвес 9 (рис. 3.1). Гири для каждой ступени выбирают так, чтобы приращение касательных напряжений в плоскости среза не превышало 10 % значения нормального напряжения. Например, при Р1=0,1 МПа должно быть не более 0,01 МПа, то есть масса очередной гири не должна превышать 0,1 кг. При Р2 = 0,2 МПа масса очередной гири не должна превышать 0,2 кг, при Р3 = 0,3 МПа – 0,3 кг. При достижении 0,6 – 0,7 от ожидаемой величины предельной нагрузки среза ступени нагружения уменьшают в 2-3 раза.
Каждую ступень горизонтальной нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации сдвига. За условную стабилизацию принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин.
Показания индикатора горизонтальных деформаций при каждой ступени нагружения записывают в журнал испытаний.
3.2.5.Испытание считают законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация сдвига превышает 5 мм. При срыве в журнале испытаний вместо величины деформации сдвига пишут слово «срез».
3.2.6. После среза прибор перезаряжают, приготовив образец грунта такой же плотности, как и первый. Второй опыт проводят при Р2 = 0,2 МПа, а третий при Р3 = 0,3 МПа.
3.2.7. На основании проведенных испытаний сразу же строят график сдвига (см. ниже). Если какая-либо точка графика весьма существенно отклоняется от положения осредняющей прямой, это испытание делают вновь.
3.2.8. После окончания испытаний необходимо разобрать прибор и тщательно очистить от грунта.
Журнал испытаний на срез
|
Дата испытаний |
Давление на образец грунта. Рi , МПа |
Масса груза на подвесе рычага сдвигающей нагрузки, Q2i, кг |
Сдвигающее касательное напряжение i = Q2i g 10-2 +0,0108; МПа |
Показание индикатора деформации сдвига l, мм |
Абсолютная деформация грунта в момент среза lпр, мм |
3.3.1. По измеренным в процессе испытания значениям сдвигающей и нормальной нагрузки по формулам (3.4) и (3.6) вычисляют касательные и нормальные напряжения i и Рi и заносят в журнал испытаний.
3.3.2. По измеренным в процессе испытания значениям деформаций сдвига, соответствующим возрастающим касательным напряжениям, строят графики зависимостей l = f() (см. рис….3) для каждого из трех испытаний.
|
Рис.3.3 График l = f() |
Рис.3.4 График сдвига пр = f(Р) |
3.3.3. При построении графика сдвига пр = f (Р) значения и Р откладываются в одном и том же масштабе: 0,1 МПа – 2 см. По полученным точкам проводится осредненная прямая, которая и называется графиком сдвига.
Угол внутреннего трения и удельное сцепление С определяют как параметры линейной зависимости (3.1.). Угол определяется по значению тангенса угла наклона прямой графика сдвига к оси абсцисс; С определяется величиной отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат.
Угол внутреннего трения и удельное сцепление С вычисляют по формулам:
tg = ; (3.7)
C = ; (3.8)
где n – число испытаний; i = пр,i – опытные значения сопротивления срезу, определенные при различных значениях Рi.
НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
Устойчивость подпорной стенки проверяется на сдвиг по подошве (плоский сдвиг) и опрокидывание относительно наружной грани от давления грунта. На рисунке приведена схема и исходные данные к расчету.
Дано: Н = 3 м; b = 1 м. Грунт засыпки – песок. Угол внутреннего трения песка принимается по результатам лабораторной работы. Значением удельного сцепления С для песчаного грунта можно пренебречь, что идет в запас прочности.
Удельный вес грунта засыпки принимается по результатам лабораторной работы.
Последовательность расчета.
Муд = G, кНм (3.9)
М опр = Ea , кНм (3.10)
где Еа – активное давление грунта засыпки, определяемое как равнодействующая эпюры горизонтального давления 2
Еа = 2max, кН (3.11)
где l – длина участка подпорной стенки, равная 1 м;
2max = Н tg2 (45-), кН/м2 (3.12)
где – удельный вес грунта засыпки, кН/м3.
= (3.13)
где – коэффициент устойчивости.
FSa (3.14)
где Fsa – сдвигающая сила, равная 1,2 Еа; с – коэффициент условий работы основания, равный 1 для скального грунта; n – коэффициент надежности по назначению сооружения (принять 1.1); FSr – удерживающая сила, принимаемая равной силе трения подошвы по основанию
FSr = G f (3.15)
где f - коэффициент трения подошвы по скальному грунту (принять f =0,65).
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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ В ПРИБОРЕ КФ–00М ПО ГОСТ 25584-90
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)
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 = V (4.1)
где V – объем цилиндра (250 см3); – 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 ( = 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
К10= (4.2)
где VW – объем профильтровавшейся воды при одном замере, см3;
tm – 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 Тф) – поправка для приведения значения коэффициента фильтрации к условиям фильтрации воды при температуре 100С, где Тф – фактическая температура воды при испытании, 0С; 864 – переводной коэффициент (из см/с в м/сут)
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/см3 |
Коэффициент пористости е |
Градиент напора I |
Объем профильтровавшейся воды VW, см3 |
Время фильтрации, с |
||
|
Грунта |
Сухого грунта d |
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.
Сводная таблица коэффициентов фильтрации грунтов разной плотности сложения:
|
Плотность сложения песка d, г/см3 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.
Для водонасыщенного грунта время затухания осадки может быть определено на основе теории фильтрационной консолидации, по которой предлагается, что скорость протекания осадки зависит исключительно от скорости выжимания воды из пор грунта в результате его уплотнения под нагрузкой.
Время, необходимое для уплотнения слоя грунта может быть определено по формуле:
Т (4.3)
где h – мощность слоя грунта, м; N– постоянная, зависящая от степени консолидации и условий фильтрации; Сv – коэффициент консолидации, равный
Сv = (4.4)
где Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; – удельный вес воды, кН/м3; mv – коэффициент относительной сжимаемости, кПа-1, равный:
mv = (4.5)
где – средний коэффициент пористости грунта при изменении давления на грунт от начального Рн до конечного Рк значения; m0 – коэффициент сжимаемости, кПа-1, равный:
m0 = (4.6)
где н и ек –начальный и конечный коэффициент пористости, соответственно; Рн и Рк – начальное и конечное давление на грунт, соответственно, кПа.
Исходные данные: значение Кф принимается как среднее значение при разных градиентах напора; мощность слоя песка 10м; начальное давление Рн=100кПа; конечное Рк = 300 кПа; коэффициенты пористости ен = 0,7; к=0,65.
Необходимо определить время, необходимое для 90 % консолидации грунта (U = 0,9). Степень консолидации равна U = , где St – деформация за время Т; Sk – полная стабилизированная осадка. При решении использовать соотношение: при U = 0,9; N = 2,09.
Контрольные вопросы:
Литература
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Составитель: А.Н. Драновский
Редактор: Н.Х. Михайлова
Редакционно-издательский отдел Казанского государст-
венного архитектурно-строительного университета
Подписано в печать 20.06.11 Формат 60х84/16
Бумага офсетная № 1 Тираж 100 экз. Усл.печ.л. 2,1
Печать ризографическая Заказ 593 Уч.-изд.л. 2,1
Печатно-множительный отдел Казанского государствен-
ного архитектурно-строительного университета
420043, Казань, ул. Зеленая, 1