Методические указания для проведения лабораторных работ по дисциплине «Механика грунтов»
методическая разработка на тему

Министерство образования и науки Российской Федерации

Кумертауский филиал

федерального государственного

бюджетного образовательного учреждения

высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

(Кумертауский филиал ОГУ)

Кафедра городского строительства и хозяйства

Т.А. Фадеева

Методические указания для проведения

лабораторных работ по дисциплине

«Механика грунтов»

для студентов, обучающихся по программам высшего образования

направления подготовки 08.03.01 Строительство

Рекомендовано к изданию Научно-методическим советом

Кумертауского филиала ОГУ

Кумертау

2015

УДК 624.131

ББК 67.401 

Ф39

                        Фадеева Т.А.

Ф39       Методические указания для проведения лабораторных работ по дисциплине «Механика грунтов» / Т.А. Фадеева; Кумертауский филиал ОГУ  – Кумертау: Кумертауский филиал ОГУ, 2015. – 31 с. 

Методические указания предназначены для проведения лабораторных работ по дисциплине «Механика грунтов» для студентов направления подготовки 08.03.01 -  Строительство всех форм обучения.

Методические указания рассмотрены на заседании  кафедры ГСХ № протокола 4    « 6 »  ноября   2015 г.

Методические указания  рекомендованы к изданию решением научно-методического совета Кумертауского филиала ОГУ, протокол № ___,  от «___»  ______20___.

                                                        © Фадеева Т.А., 2015

© Кумертауский филиал ОГУ, 2015

Введение

Дисциплина относится к базовой части блока 1 «Дисциплины (модули)»

Цель освоения дисциплины: формирование у студентов представления о напряженно-деформированном состоянии грунтового массива в зависимости от действующих внешних факторов: статических и динамических нагрузок, температуры. 

Задачи:

- познакомить с полевыми и лабораторными методами определения физико-механических свойств грунтов;

- изучить основные  методы  расчета  деформаций, прочности и устойчивости грунтов;

- научить измерять  давления грунтов на ограждающие конструкции.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих результатов обучения:

Трудоемкость дисциплины составляет 108 часов, из них на лабораторные работы отводится – 14 часов.

Лабораторные работы проводятся под руководством преподавателя по разделам дисциплины. Темы занятия выдаются преподавателем заранее, так как требуется предварительная теоретическая подготовка по соответствующей теме с помощью учебной и дополнительной литературы.

Тематический план  лабораторных работ.

Оформление лабораторных работ выполнить по ГОСТ 2.004, каждая практическая работа вкладывается в папку-скоросшиватель по отдельным файлам.

На каждой странице оставляется поле шириною 3 – 4 см для замечаний проверяющего работу.

На титульном листе  указывают учебный шифр, наименование дисциплины, курс, отделение, индекс учебной группы, фамилию, имя и отчество исполнителя.

Последнее лабораторное занятие отводится на защиту всех лабораторных работ, и  оцениваются как «зачтено» или «не зачтено».

После получения прорецензированной работы студенту необходимо исправить отмеченные ошибки, выполнить все указания преподавателя, повторить недостаточно усвоенный материал.

Не зачтенные лабораторные работы подлежат повторному выполнению.

Содержание

Лабораторная работа № 1

Определение плотности грунта методом режущего кольца

Цель: Научиться определять плотность грунта методом режущего кольца

Плотностью (объемной массой) грунта естественной (ненарушенной) структуры называется отношение массы образца грунта к его объему.  

В данной работе значение плотности грунта устанавливается посредством определения массы грунта в заранее известном объеме специального режущего кольца. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 25100-2011. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

Необходимое оборудование и материалы:

1. Монолит грунта.

2. Режущее кольцо.

3. Насадка для режущего кольца.

4. Нож.

5. Стекло или металлические пластинки.

6. Плоская лопатка.

7. Весы с разновесами.

Ход работы:

Согласно требованиям таблицы 1 выбирают режущее кольцо-пробоотборник.

Таблица 1 – Размеры кольца-пробоотборника в зависимости от типа и состояния грунта

Кольца нумеруют, измеряют внутренний диаметр и высоту с погрешностью не более 0,1 мм и взвешивают. По результатам измерений вычисляют объем кольца с точностью до 0,1 см3.

Пластинки с гладкой поверхностью (из стекла, металла и т.д.) нумеруют и взвешивают.

Кольцо-пробоотборник смазывают с внутренней стороны тонким слоем вазелина или консистентной смазки.

Верхнюю зачищенную плоскость образца грунта выравнивают, срезая излишки грунта ножом, устанавливают на ней режущий край кольца и винтовым прессом или вручную через насадку слегка вдавливают кольцо в грунт, фиксируя границу образца для испытаний (рисунок 1). Затем грунт снаружи кольца обрезают на глубину 5-10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик диаметром на 1-2 мм больше наружного диаметра кольца. Периодически, по мере срезания грунта, легким нажимом пресса или насадки насаживают кольцо на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт подрезают на 8-10 мм ниже режущего края кольца и отделяют его.

Грунт, выступающий за края кольца, срезают ножом, зачищают поверхность грунта вровень с краями кольца и закрывают торцы пластинками.

При пластичном или сыпучем грунте кольцо плавно, без перекосов вдавливают в него и удаляют грунт вокруг кольца. Затем зачищают поверхность грунта, накрывают кольцо пластинкой и подхватывают его снизу плоской лопаткой.

Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают с точностью до 0,01 г.

Рисунок 1 – Погружение режущего кольца в грунт

Обработка результатов:

Плотность грунта , г/см3, вычисляют по формуле:

                                                           (1)

где m1 – масса грунта с кольцом и пластинками, г;

т0 – масса кольца и пластинок, г;

V – внутренний объем кольца, см3.

Результаты испытаний записывают в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты определение плотности

Лабораторная работа №2

Тема: «Определение влажности грунта методом высушивания до постоянной массы»

Цель: Научиться определять влажность грунта методом высушивания до постоянной массы

Влажность грунта следует определять как отношение массы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной массы, к массе высушенного грунта.

Весовая влажность грунта определяется для образца, у которого определяется плотность грунта. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 25100-2011 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

Определение влажности производится по результатам взвешивания пробы влажного грунта к той же пробе грунта после его высушивания до постоянной массы в сушильном шкаф шкафу (термостате) при температуре (105±2)°С.

Необходимое оборудование и материалы:

1. Грунт.

2. Бюкс – банка с плотно закручивающейся крышкой.

3. Сушильный шкаф.

4. Эксикатор.

5. Хлористый кальций.

6. Весы с разновесами.

Ход работы:

Пробу грунта для определения влажности отбирают массой 15׃50 г, помещают в заранее высушенный, взвешенный и пронумерованный стаканчик и плотно закрывают крышкой.

Пробу грунта в закрытом стаканчике взвешивают.

Стаканчик открывают и вместе с крышкой помещают в нагретый сушильный шкаф. Грунт высушивают до постоянной массы при температуре (105±2)°С.

Песчаные грунты высушивают в течение 3 ч, а остальные – в течение 5 ч.

Последующие высушивания песчаных грунтов производят в течение 1 ч, остальных – в течение 2 ч.

После каждого высушивания грунт в стаканчике охлаждают в эксикаторе с хлористым кальцием до температуры помещения и взвешивают с точностью до 0,01 г.

Высушивание производят до получения разности масс грунта со стаканчиком при двух последующих взвешиваниях не более 0,02 г.

Обработка результатов:

Влажность грунта w, %, вычисляют по формуле:

                                                           (2)

где т – масса пустого стаканчика с крышкой, г;

m1 – масса влажного грунта со стаканчиком и крышкой, г;

 m0 – масса высушенного грунта со стаканчиком и крышкой, г.

Допускается выражать влажность грунта в долях единицы с точностью до 0,001 г.

Результаты испытаний записываются в таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты определения влажности

Лабораторная работа №3

Тема: «Определение гранулометрического состава песчаного грунта ситовым методом»

Цель: Научиться определять гранулометрический состав песчаного грунта ситовым методом

Гранулометрический (зерновой) состав грунта следует определять по весовому содержанию в нем частиц различной крупности, выраженному в процентах по отношению к весу сухой пробы грунта, взятой для анализа.

В настоящей работе требуется разделить песчаный грунт на фракции и установить его наименование (тип). Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 25100-2011 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.

Пробы грунта при разделении их на фракции подготавливают:

- для выделения частиц размером более 0,1 мм – растиранием грунта;

- для определения гранулометрического (зернового) состава грунтов следует брать образцы, высушенные до воздушно-сухого состояния и растертые в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником.

Взвешивание проб грунта на технических весах должно производиться с погрешностью до 0,01 г.

Результаты вычисления гранулометрического (зернового) состава грунтов должны определяться с погрешностью до 0,1%.

Необходимое оборудование и материалы:

1. Песчаный грунт (воздушно-сухой, нарушенной структуры).

2. Набор сит (с поддоном) с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5 мм.

3. Весы лабораторные с гирями.

4. Стаканчики стеклянные.

5. Ступка фарфоровая.

6. Пестик с резиновым наконечником.

7. Чашка фарфоровая.

8. Нож.

Ход работы:

Для разделения грунта на фракции ситовым методом без промывки водой применяют сита с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5.

Сита монтируют в колонку, размещая их от поддона в порядке увеличения размера отверстий. На верхнее сито надевают крышку (рисунок 2).

Рисунок 2 – Комплект сит для гранулометрического анализа

Среднюю пробу для анализа следует отбирать методом квартования. Для этого распределяют грунт тонким слоем по листу плотной бумаги или фанеры, проводят ножом в продольном и поперечном направлениях борозды, разделяя поверхность грунта на квадраты, и отбирают понемногу грунт из каждого квадрата.

Вес средней пробы должен составлять для грунтов, содержащих до 10 % (по весу) частиц размером более 2 мм, – не менее 500 г.

Проведение испытания

Среднюю пробу грунта надлежит отобрать в воздушно-сухом состоянии методом квартования и взвесить на технических весах.

Взвешенную пробу грунта следует просеять сквозь набор сит с поддоном (рис.2) ручным или механизированным способом.

Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, высыпают, начиная с верхнего сита, в ступку и дополнительно растирают пестиком с резиновым наконечником, после чего вновь просеивают на этих же ситах.

Полноту просеивания фракций грунта проверяют встряхиванием каждого сита над листом бумаги. Если при этом на лист выпадают частицы, то их высыпают на следующее сито; просев продолжают до тех пор, пока на бумагу перестанут выпадать частицы.

Фракции грунта, задержавшиеся после просеивания на каждом сите и прошедшие в поддон, следует перенести в заранее взвешенные стаканчики или фарфоровые чашечки и взвесить.

Сложить вес всех фракций грунта. Если полученная сумма веса всех фракций грунта превышает более чем на 1 % вес взятой для анализа пробы, то анализ следует повторить.

Потерю грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропорционально их весу.

Обработка результатов

Содержание в грунте каждой фракции А в % надлежит вычислять по формуле:

,                                                           (3)

где gф – вес данной фракции грунта, г;

gi – вес средней пробы грунта, взятой для анализа, г.

Результаты испытаний записывают в таблицу 4.

Таблица 4 – Результаты определения гранулометрического (зернового) состава песчаного грунта

По результатам испытания (таблицы 4) и таблице 5 определяют тип песка.

Таблица 5 – Типы песчаных грунтов

Лабораторная работа №4

Тема: «Определение характерных влажностей и консистенций глинистого грунта»

Цель: Научиться определять характерные влажности и консистенции глинистого грунта 

Строительные свойства связных глинистых грунтов зависят от их консистенции (густоты).

Для определения консистенции глинистого грунта необходимо принимать во внимание пределы пластичности: влажность на границе текучести WL, и влажность грунта на границе раскатывания WP. Различные грунты имеют свои параметры характерных влажностей (WL, WP).

Граница (предел) раскатывания WP соответствует влажности, при уменьшении которой грунт перестает быть пластичным.

Граница (предел) текучести WL соответствует влажности, при превышении которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние.

Разность между влажностью на пределах текучести и раскатывания называется числом пластичности и определяется по формуле:

IP=WL–WP,                                                           (4)

По числу пластичности связные грунты классифицируются следующим образом:

Супеси___________________________0,01 ˂ IP˂0,07

Суглинки_________________________0,07 < IP ˂ 0,17

Глины____________________________IP > 0,17

Показатель консистенции определяется по формуле:

,                                                           (5)

где W – весовая влажность грунта в естественном состоянии.

По показателю консистенции IL грунты классифицируются следующим образом:

Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 25100-2011 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

Необходимое оборудование и материалы:

1. Грунт: сухой (в порошке) и в виде теста.

2. Колба с дистиллированной водой.

3. Цилиндрическая чашка и подставка.

4. Шпатель.

5. Балансирный конус, технический вазелин.

6. Бюксы.

7. Весы с разновесами.

Ход работы:

1. Определение границы текучести

Границу текучести следует определять как влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты, при которой балансирный конус (рисунок  3) погружается под действием собственного веса за 5 с на глубину 10 мм.

Рисунок 3 – Схема прибора для определения предела текучести:

1. Стандартный конус. 2. Балансирное устройство. 3. Цилиндрическая чашка.

Подготовка к испытаниям

Образец грунта в воздушно-сухом состоянии растирают в фарфоровой ступке или в растирочной машине, не допуская дробления частиц грунта и одновременно удаляя из него растительные остатки крупнее 1 мм, просеивают сквозь сито с сеткой № 1, увлажняют дистиллированной водой до состояния густой пасты, перемешивая шпателем, и выдерживают в закрытом стеклянном сосуде не менее 2 ч.

Добавлять сухой грунт в грунтовую пасту не допускается.

Проведение испытаний

Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивают шпателем и небольшими порциями плотно (без воздушных полостей) укладывают в цилиндрическую чашку к балансирному конусу. Поверхность пасты заглаживают шпателем вровень с краями чашки.

Балансирный конус, смазанный тонким слоем вазелина, подводят к поверхности грунтовой пасты так, чтобы его острие касалось пасты. Затем плавно отпускают конус, позволяя ему погружаться в пасту под действием собственного веса.

Погружение конуса в пасту в течение 5 с на глубину 10 мм показывает, что грунт имеет влажность, соответствующую границе текучести.

При погружении конуса в течение 5 с на глубину менее 10 мм, грунтовую пасту извлекают из чашки, присоединяют к оставшейся пасте, добавляют немного дистиллированной воды, тщательно перемешивают ее и опыт повторяют.

При погружении конуса за 5 секунд на глубину более 10 мм грунтовую пасту из чашки перекладывают в фарфоровую чашку, слегка подсушивают на воздухе, непрерывно перемешивая шпателем и опыт повторяют.

По достижении границы текучести из пасты в бюкс отбирают пробы массой 15-20 г для определения влажности.

Производится расчет влажности по формуле приведенной в таблице 6. Влажность определяется в долях единицы.

2. Определение границы раскатывания

Границу раскатывания (пластичности) следует определять как влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты, при которой паста, раскатываемая в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3-10 мм.

Подготовка к испытаниям

Для определения границы раскатывания используют часть грунта (40-50 г), подготовленного для определения текучести.

Проведение испытаний

Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивают, берут небольшой кусочек и раскатывают ладонью на стеклянной или пластмассовой пластинке до образования жгута диаметром 3 мм. Если при этой толщине жгут сохраняет связность и пластичность, его собирают в комок и вновь раскатывают до образования жгута диаметром 3 мм. Раскатывать следует, слегка нажимая на жгут, длина жгута не должна превышать ширины ладони. Раскатывание продолжают до тех пор, пока жгут не начинает распадаться по поперечным трещинам на кусочки длиной 3-10 мм.

Кусочки распадающегося жгута собирают в стаканчики, накрываемые крышками. Когда масса грунта в стаканчиках достигнет 10-15 г, определяют влажность WP, и заносят в таблицу 6.

Таблица 6 – Результаты определения влажности грунта на пределах текучести и раскатывания

3. Определение наименования грунта и его консистенции

Пользуясь, найденными значениями WL и WP определяют число пластичности IP и показатель IL и устанавливают наименование грунта и его консистенцию.

При определении показателя консистенции IL, природная влажность грунта W берется из таблицы 3 лабораторной работы № 2.

Лабораторная работа №5

Тема: «Определение максимальной плотности грунта»

Цель: Научится определять максимальную плотность грунта.

Максимальная плотность (стандартная плотность) – наибольшая плотность сухого грунта, которая достигается при испытании грунта методом стандартного уплотнения.

Метод стандартного уплотнения заключается в установлении зависимости плотности сухого грунта от его влажности при уплотнении образцов грунта с постоянной работой уплотнения и последовательным увеличением влажности грунта.

Результаты испытания оформляют в виде графика стандартного уплотнения.

Для испытания грунта методом стандартного уплотнения используют образцы грунта нарушенного сложения.

Число последовательных испытаний грунта при увеличении его влажности должно быть не менее пяти, а также достаточным для выявления максимального значения плотности сухого грунта по графику стандартного уплотнения.

Допустимое расхождение между результатами параллельных определений, полученными в условиях повторяемости, выраженное в относительных единицах, не должно превышать для максимального значения плотности сухого грунта 1,5 %, для оптимальной влажности – 10 %.

Если расхождения превышают допустимые значения, следует проводить дополнительное испытание.

Испытания производятся в соответствии с ГОСТ 22733-2002 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности.

Необходимое оборудование и материалы:

1. Грунт в воздушно-сухом состоянии.

2. Прибор стандартного уплотнения СоюзДорНИИ (малый) (рисунок 4).

3. Весы для статического взвешивания на 2-5 кг.

4. Весы лабораторные на 0,2-1,0 кг.

5. Линейка длиной не менее 300 мм.

6. Цилиндры мерные вместимостью 100 мл и 50 мл с ценой деления 1 мл.

7. Чашки металлические для испытаний вместимостью 5 л.

8. Стаканчики для взвешивания ВС-1 с крышками.

9. Устройство растирочное или ступка фарфоровая с пестиком.

10. Шкаф сушильный.

11. Набор сит с диаметром отверстий 20, 10 и 5 мм.

12. Эксикатор.

13. Шпатель металлический.

14. Нож лабораторный с прямым лезвием длиной не менее 150 мм.

15. Технический вазелин.

Рисунок 4 – Принципиальная схема установки для испытания грунта методом стандартного уплотнения: 1 – поддон; 2 – разъемная форма; 3 – зажимное кольцо; 4 – насадка; 5 – наковальня; 6 – груз массой 2,5 кг; 7 – направляющая штанга; 8 – ограничительное кольцо; 9 – зажимные винты; 10 – образец грунта

Ход работы:

Подготовка пробы грунта

Грунт в воздушно-сухом состоянии размельчают (без дробления крупных частиц) в растирочном устройстве или в фарфоровой ступке.

Грунт взвешивают (mр) и просеивают через сита с отверстиями диаметром 20 мм и 10 мм. При этом вся масса грунта должна пройти через сито с отверстиями диаметром 20 мм.

Взвешивают отсеянные крупные частицы (mk).

Если масса частиц грунта крупнее 10 мм составляет 5 % и более, дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито 10 мм. Если масса частиц грунта крупнее 10 мм составляет менее 5 %, производят дальнейшее просеивание грунта через сито с отверстиями диаметром 5 мм и определяют содержание частиц крупнее 5 мм. В этом случае дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито 5 мм.

Из отсеянных крупных частиц отбирают пробы для определения их влажности wk и средней плотности частиц mk по ГОСТ 8269.0.

Из грунта, прошедшего через сито, отбирают пробы для определения его влажности в воздушно-сухом состоянии wg по ГОСТ 5180 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

Вычисляют содержание в грунте крупных частиц К, %, с точностью 0,1 % по формуле:

,                                                           (6)

где mk – масса отсеянных крупных частиц, г;

wg – влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %;

тp – масса образца грунта в воздушно- сухом состоянии, г;

 wk – влажность отсеянных крупных частиц, %.

Отбирают из просеянного грунта методом квартования пробу грунта для испытания (т p) массой 2500 г.

Допускается проводить весь цикл испытаний с использованием одной отобранной пробы.

Помещают отобранную пробу в металлическую чашку для испытаний.

Рассчитывают количество воды Q, г, для доувлажнения отобранной пробы до влажности первого испытания по формуле:

,                                                           (7)

где – масса отобранной пробы, г;

w1 – влажность грунта для первого испытания, назначаемая по таблице 7, %;

 wg – влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %.

Таблица 7 – Значения первоначальной влажности грунта

В отобранную пробу грунта вводят рассчитанное количество воды за несколько приемов, перемешивая грунт металлическим шпателем.

Переносят пробу грунта из чашки в эксикатор или плотно закрываемый сосуд и выдерживают ее при комнатной температуре не менее 2 ч для несвязных грунтов и не менее 12 ч – для связных грунтов.

Подготовка установки для испытания

Взвешивают цилиндрическую часть формы (тс).

Устанавливают цилиндрическую часть формы на поддон, не зажимая ее винтами.

Устанавливают зажимное кольцо на верхний бортик цилиндрической части формы.

Зажимают цилиндрическую часть формы попеременно винтами поддона и кольца.

Протирают внутреннюю поверхность формы ветошью, смоченной керосином, минеральным маслом или техническим вазелином.

Устанавливают собранную форму на плиту основания.

Проверяют соосность направляющей штанги и цилиндрической части формы и свободный ход груза по направляющей штанге.

Проведение испытания

Испытание проводят, последовательно увеличивая влажность грунта испытываемой пробы. При первом испытании влажность грунта должна соответствовать значению, установленному по таблице 1. При каждом последующем испытании влажность грунта следует увеличивать на 1-2 % для несвязных грунтов и на 2-3 % – для связных грунтов.

Количество воды для увлажнения испытываемой пробы определяют по формуле:

принимая в ней за wg и w1 соответственно влажности при предыдущем и очередном испытаниях.

Испытание пробы грунта проводят в следующем порядке:

- переносят пробу из эксикатора в металлическую чашку и тщательно перемешивают;

- загружают в собранную форму из пробы слой грунта толщиной 5-6 см и слегка уплотняют рукой его поверхность. Производят уплотнение 40 ударами груза по наковальне с высоты 30 см, зафиксированной на направляющей штанге. Аналогичную операцию производят с каждым из трех слоев грунта, последовательно загружаемых в форму. Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего уплотненного слоя взрыхляют ножом на глубину 1-2 мм. Перед укладкой третьего слоя на форму устанавливают насадку;

- после уплотнения третьего слоя снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта не должна быть более 10 мм.

Если выступающая часть грунта превышает 10 мм, необходимо выполнить дополнительное число ударов из расчета один удар на 2 мм превышения.

Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления вследствие выпадения крупных частиц заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом.

Взвешивают цилиндрическую часть формы с уплотненным грунтом (тi) и вычисляют плотность грунта тi, г/см3, по формуле

,                                                           (8)

где mi – масса цилиндрической части формы с уплотненным грунтом, г;

 тс – масса цилиндрической части формы без грунта, г;

 V – вместимость формы, 1000 см3.

Извлекают из цилиндрической части формы уплотненный образец грунта. При этом из верхней, средней и нижней частей образца отбирают пробы для определения влажности грунта (wi) пo ГОСТ 5180 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

Извлеченный из формы грунт присоединяют к оставшейся в чашке части пробы, измельчают и перемешивают. Размер агрегатов не должен превышать наибольшего размера частиц испытываемого грунта.

Повышают влажность пробы. После добавления воды грунт тщательно перемешивают, накрывают влажной тканью и выдерживают не менее 15 мин для несвязных грунтов и не менее 30 мин – для связных грунтов.

Все последующие испытания грунта производят аналогично предыдущему, каждый раз увеличивая влажность грунта.

Испытание следует считать законченным, когда с повышением влажности пробы при последующих двух испытаниях происходит последовательное уменьшение значений массы и плотности уплотняемого образца грунта, а также когда при ударах происходит отжатие воды или выделение разжиженного грунта через соединения формы.

Уплотнение однородных по гранулометрическому составу и дренирующих грунтов прекращают после появления воды в соединениях формы независимо от числа ударов при уплотнении образца.

Данные испытания записывают в таблицу 8.

Таблица 8 – Результаты испытания грунта

Обработка результатов

По полученным в результате последовательных испытаний значениям плотности и влажности грунта вычисляют значения плотности сухого грунта ρdi, г/см3, с точностью 0,01 г/см3 по формуле:

,                                                           (9)

где – плотность грунта, г/см3;

 wi – влажность грунта при очередном испытании, %.

По результатам испытания (таблица 8) строят график зависимости изменения значений плотности сухого грунта от влажности (рисунок 5). По наивысшей точке графика для связных грунтов находят значение максимальной плотности (ρd max) и соответствующее ему значение оптимальной влажности (wopt).

Для несвязных грунтов график стандартного уплотнения может не иметь заметно выраженного максимума. В этом случае значение оптимальной влажности принимают на 1,0 %-1,5 % менее влажности wi, при которой происходит отжатие воды. Значение максимальной плотности принимают по соответствующей ей ординате. При этом 1,0 % принимают для песков гравелистых, крупных и средней крупности; 1,5 % – для мелких и пылеватых песков.

Если в грунте содержались крупные частицы, которые перед испытанием были удалены из пробы, то для учета влияния их состава корректируют установленное значение максимальной плотности сухого грунта ρd max по формуле:

,                                                           (10)

где pk – плотность крупных частиц, г/см3;

 К – содержание крупных частиц в грунте, %.

Значение оптимальной влажности грунта w/opt, %, определяют по формуле:

w/opt = 0,01 wopt(100 – K). ,                                           (11)

Масштаб графика: по горизонтали 1 см – 1 % для w; по вертикали 1 см – 0,02 г/см3 для ρd

Рисунок 5 – Образец графического оформления результатов испытания грунта методом стандартного уплотнения

Лабораторная работа №6

Тема: «Определение плотности грунтов методом защемления объема»

Цель: Научиться определять плотности грунтов методом защемления объема

Метод заключается в установлении отношения массы пробы грунта к его объему при условии, что из слоя испытываемого грунта отбирают пробу необходимого объема, которую замещают однородной средой с известной плотностью.

Плотность грунтов определяют с применением аппаратуры, позволяющей измерить объем однородной среды известной плотности, замещающей взятую пробу грунта, и измерить массу пробы.

Массу пробы следует измерять с погрешностью не более 0,2 %, а ее объем – с погрешностью не более 1 %.

Максимальный объем пробы следует назначать в зависимости от максимальной крупности зерен испытуемого грунта по таблице 9.

Таблица 9 – Значения минимального объема пробы

Плотность грунтов определяют на основе результатов двух параллельно проведенных испытаний. Замещение объема следует проводить в местах, расположенных на расстоянии не более 1 м друг от друга.

Испытания производятся в соответствии с ГОСТ 28514-90. Строительная геотехника. Определение плотности грунтов методом замещения объема.

Необходимое оборудование и материалы:

1. Пескозагрузочный аппарат с загрузочной камерой и задвижкой для перекрытия (рисунок 6);

2. Жесткий лист основания размером не менее 300х300 мм или диаметром 300 мм с отверстием посередине;

3. Калибровочный сосуд цилиндрической формы с известным объемом, внутренний диаметр которого соответствует диаметру отверстия в листе основания;

4. Сита с размерами квадратных ячеек: 63; 40; 31,5; 20; 10; 2 и 0,2 мм;

5. Технические весы с пределом взвешивания 5 и 20 кг;

6. Инструменты для выравнивания поверхности грунта и для углубления лунки (например, металлическая линейка, резец, молоток, ложка и кисть);

7. Посуда для отбора пробы.

Ход работы:

В качестве однородной среды с известной плотностью, которая заменяет испытываемый грунт, применяют свободно сыпучий сухой песок (наполняющий песок), зерновой состав которого отвечает формулам:

2 мм > d > 0,2 мм,

где d – крупность зѐрен наполняющего песка, мм;

 dmax – крупность зѐрен, выраженная максимальным размером квадратной ячейки верхнего контрольного сита, не более 2 мм;

 dmin – крупность зѐрен, выраженная минимальным размером квадратной ячейки нижнего контрольного сита, не менее 0,2 мм.

При повторном использовании наполняющий песок должен быть пропущен через сита с размером отверстий, соответствующим максимальному и минимальному размеру частиц песка, используемого для проведения испытания.

Определение плотности наполняющего песка

Лист основания помещают на горизонтальной плоской поверхности.

Рисунок 6 – Пескозагрузочный аппарат с калибровочным сосудом: 1 – пескобак; 2 – песок; 3 – задвижка; 4 – загрузочная камера; 5 – лист основания; 6 – лунка; 7 – калибровочный сосуд

Пескобак аппарата с закрытой задвижкой полностью наполняют песком и определяют его массу (m1). Загрузочную камеру устанавливают на отверстие в металлическом листе. Открывают задвижку, после чего песок высыпается на горизонтальную поверхность. Затем задвижку закрывают, аппарат снимают с листа основания и снова определяют его массу (m/1).

Массу песка, высыпанного из пескобака в загрузочную камеру конической формы m2, вычисляют в граммах с округлением до 1 г по формуле:

m2  = m1 - m1/  ,                                           (12)

где m1 – масса пескозагрузочного аппарата, наполненного песком, г;

 m/1 – масса пескозагрузочного аппарата после наполнения загрузочной камеры, г.

Определяют массу пескозагрузочного аппарата, вновь полностью наполненного песком (m1), и при закрытой задвижке помещают аппарат на лист основания, а лист основания – на отверстие калибровочного сосуда.

Открыв задвижку, дают высыпаться песку и, как только прекратится движение песка, вновь закрывают задвижку. После этого сняв аппарат, измеряют его массу (m3).

Значение массы песка (m0), наполняющего калибровочный сосуд, определяют в граммах с округлением до 1 г по формуле:

m0  = m1 - (m2 + m3 ),                                            (13)

где m1 – масса пескозагрузочного аппарата, наполненного песком, г;

m2 – масса песка, высыпанного из пескобака в загрузочную камеру конической формы, г;

 m3 – масса пескозагрузочного аппарата после наполнения калибровочного сосуда, г.

Значение плотности наполняющего песка (m 0) в граммах на кубический сантиметр определяют с округлением до 0,01 г/см3 по формуле:

,                                            (14)

где m0 – масса песка, необходимая для наполнения калибровочного сосуда, г;

 V0 – объем калибровочного сосуда, см3.

За результат определения плотности наполняющего песка () принимают среднее арифметическое значение результатов двух параллельных измерений, если их значения отличаются друг от друга не более чем на 0,01 г/см3. Если отличие больше, то следует повторить испытание.

Проведение испытания

На поверхности подлежащего испытанию слоя разравнивают площадку, соответствующую размерам листа основания, и на эту поверхность помещают лист основания и закрепляют его, исключая возможность смещения. Под круглым отверстием листа выкапывают лунку с примерно вертикальными стенками таким образом, чтобы избежать нарушения естественного сложения. Глубина лунки должна обеспечивать минимальный объем пробы в соответствии с таблицей 1.

Извлеченный из лунки грунт тщательно собирают и измеряют его массу (m). Полностью наполненный песком пескозагрузочный аппарат массой m1 (при закрытой задвижке) помещают на лист основания, расположенный над лункой, затем, открыв задвижку, высыпают песок в лунку. Как только визуальное движение песка прекращается, закрывают задвижку и, сняв аппарат, измеряют его массу (m4).

Значение массы песка, наполняющего лунку (m5), в граммах, определяют с округлением до 1 г по формуле:

m5  = m1 – (m2 + m4 ),                                            (15)

где m1 – масса пескозагрузочного аппарата, наполненного песком, г;

 m2 – масса песка, высыпанного из пескобака в загрузочную камеру конической формы, г;

 m4 – масса пескозагрузочного аппарата после наполнения лунки, г.

Обработка результатов

Значение плотности испытываемого грунта определяют в граммах на кубический сантиметр с округлением до 0,01 г/см3 по формуле:

                                           (16)

где m – масса испытываемого грунта, удаленного из лунки, г;

 m5 – масса песка, наполняющего лунку, г;

  – средняя плотность наполняющего песка.

За результат определения плотности испытываемого грунта (ρ) принимают среднее арифметическое значение результатов двух параллельных измерений, если значения отличаются друг от друга не более чем на 0,05 г/см3. Если отличие больше, то следует провести ещѐ одно измерение.

Лабораторная работа №7

Тема: «Определение характеристик сопротивления грунтов сдвигу»

Цель: Научиться определять основные прочностные характеристики: сопротивления грунта срезу τ, угла внутреннего трения υ, удельного сцепления с для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых грунтов.

Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивления грунта срезу τ, угла внутреннего трения υ, удельного сцепления с для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых грунтов.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостном срезном приборе с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза.

Сопротивление грунта срезу определяют как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Для определения с и υ необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения.

Испытания проводят по консолидированно-дренированной схеме – для песков и глинистых грунтов независимо от их степени влажности в стабилизированном состоянии.

Для испытаний используют образцы грунта нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности.

Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой от 1/3 до 1/2 диаметра.

Испытание производится в соответствии с ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

Необходимое оборудование и материалы:

1. Грунт с заданными значениями плотности и влажности.
2. Сдвигающий прибор с набором гирь.
3. Индикатор для измерения деформации.
4. Секундомер.

Ход работы:

Изготовленный образец взвешивают и приступают к его предварительному уплотнению.

Предварительное уплотнение образца при консолидированно-дренированном испытании проводят непосредственно в рабочем кольце срезного прибора или в уплотнителе.

При предварительном уплотнении в уплотнителе рабочее кольцо с подготовленным образцом грунта следует поместить в обойму уплотнителя, а затем собранную обойму установить в ванну уплотнителя на перфорированный вкладыш (предварительно торцы образца необходимо покрыть влажным бумажным фильтром). Далее необходимо установить на образец перфорированный штамп, произвести регулировку механизма нагрузки, установить приборы для измерения вертикальных деформаций грунта и записать их начальные показания.

Проведение консолидированно-дренированного испытания

Предварительное уплотнение образца производят при нормальных давлениях р, при которых определяют сопротивление срезу τ. Нормальные давления передают на образец грунта ступенями Δр.

Значения р и Δр приведены в таблице в таблице 10.

Таблица 10 – Значения р и Δр при предварительном уплотнении образцов грунта

1. В отельных случаях, предусмотренных программой испытаний, могут назначаться более высокие нормальные давления по сравнению с приведенными в таблице 1.
2. Если при заданных нормальных давлениях зависимость τ = f(σ) на начальном участке имеет существенно нелинейный характер, значения должны быть изменены так, чтобы соблюдалась линейность указанной зависимости.

Каждую ступень давления при предварительном уплотнении выдерживают в течение времени, указанного в таблице 2, а конечную ступень – до достижения условной стабилизации деформаций сжатия образца грунта.

За критерий условной стабилизации деформации принимают ее приращение, не превышающее 0,01 мм за время, указанное в таблице 11.

Таблица 11 – Время условной стабилизации образца грунта

После предварительного уплотнения, если оно проводилось в уплотнителе, следует быстро разгрузить образец и перенести рабочее кольцо с образцом в срезную коробку. Далее закрепляют рабочее кольцо в срезной коробке, устанавливают перфорированный штамп, производят регулировку механизма нагрузки, устанавливают зазор 0,5-1 мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, устанавливают измерительную аппаратуру для регистрации вертикальных деформаций образца и записывают её начальное показание в журнале испытания.

На образец грунта передают то же нормальное давление, при котором происходило предварительное уплотнение грунта.

Нормальную нагрузку следует передать на образец в одну ступень и выдержать еѐ не менее:

5 мин – для песков;

15 мин – для супесей;

30 мин – для суглинков и глин;

10 мин – при повторном срезе.

После передачи на образец грунта нормальной нагрузки приводят в рабочее состояние механизм создания касательной нагрузки и прибор для измерения деформаций среза грунта и записывают его начальное показание.

При передаче касательной нагрузки ступенями их значения должны составлять 5 % значения нормальной нагрузки, при которой производят срез. На каждой ступени нагружения записывают показания приборов для измерения деформаций среза через каждые 2 мин, уменьшая интервал между измерениями до 1 мин в период затухания деформации до ее условной стабилизации.

За критерий условной стабилизации деформации среза принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин.

При непрерывно возрастающей касательной нагрузке скорость среза должна быть постоянной и соответствовать указанной в таблице 12. Деформации среза фиксируют не реже чем через 2 мин.

Таблица 12 – Скорость среза образца грунта

Испытание следует считать законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация среза превысит 5 мм.

При проведении среза с постоянной скоростью за окончание испытаний принимают момент, когда срезающая нагрузка достигнет максимального значения, после чего наблюдается некоторое еѐ снижение, или установление постоянного значения, или общая деформация среза превысит 5 мм.

Результаты испытаний по определению предельной сдвигающей нагрузки при трѐх разных значениях нормального давления Р записываются в таблицу 13.

Таблица 13 – Данные хода опыта по определению предельной сдвигающей нагрузки при нормальном напряжении Р

1 деление индикатора=0,01 мм.

Обработка результатов

По измеренным в процессе испытания значениям касательной и нормальной нагрузок вычисляют и заносятся в таблицу 14 касательные и нормальные напряжения τ и σ, МПа, по формулам:

                                           (17)

где Q и F – соответственно касательная и нормальная силы к плоскости среза, кН;

А – площадь среза, равная 40 см2.

Таблица 14 – Результаты определения сопротивления грунта сдвигу

Определение τ необходимо проводить не менее чем при трѐх различных значениях Р.

По полученным значениям строится график зависимости τ = f(σ) (рисунок 7). Масштаб графика: по горизонтали 2 см=0,1 МПа для  τ.

Рисунок 7 – Графики сопротивления сдвигу образцов глинистого τ = σtgυ + c (а) и песчаного τ = σtgυ (б) грунтов.

Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с определяются из графика: υ – 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.

Рекомендуемая литература

1. Добров, Э. М. Механика грунтов [Текст] : учебник для студентов высш. учеб. заведений / Э. М. Добров. – М.: Издательский центр «Академия», 2008 – 272с. – ISBN 978-5-7695-3949-7.
2. Догадайло, А. И.Механика грунтов. Основания и фундаменты [Электронный ресурс]: учеб. пособие / А. И. Догадайло. - Юриспруденция, 2012.
3. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация
4. ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
5. ГОСТ 22733-2002 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности.
6. http://www.proingener.ru/load/asutp/15 - учебная и техническая литература для студентов и проектировщиков.
7. http://www.zodchii.ws/books/ - библиотека строительства.