Коэффициент фильтрации определяется по формуле

,

где Q – объем жидкости, прошедшей через испытуемый образец за время t, см³;

t – время фильтрации, с;

l – длина образца, см;

F – площадь сечения образца, см²;

- перепад давления, кПа;

- удельный вес воды, = 10 кН/м³;

Р_п – перепад давления на торцах образца, кПа.

Таблица 3 - Результаты определения коэффициента фильтрации закрепленного песчаного грунта

Номер опыта	Диаметр образца d, см	Длина образ­ца L, см	Площадь сечения образца F, см2	Жид­кость для испыта­ния	Давле­ние гидро­обжима H, кПа	Перепад давле­ния Hв, кПа	Время фильтрации t, с	Объем про­фильт­рован­ной воды v, см3	Коэф­фициент фильт­рации KФ, м/сут

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель и содержание работы.

2. Краткое описание прибора КФ-01 и его схема.

3. Заполнение таблиц.

4. Выводы о влиянии на коэффициент фильтрации гранулометрического состава и плотности песчаных грунтов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

Определение характеристик набухания глинистых грунтов

13. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью лабораторной работы является приобретение соответствующего навыка работы с лабораторным оборудованием по определению характеристик набухания глинистых грунтов и закрепление полученных теоретических знаний на лекциях и в процессе самостоятельного обучения.

14. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Свойство глинистых грунтов увеличиваться в объеме при увлажнении называется набухаемостью.

Набухание грунта сопровождается увеличением пористости и влажности грунта, при этом консистенция грунта становится более мягкой.

Сущность явления набухания заключается в следующем: при замачивании водой ослабевают или полностью исчезают неводостойкие и маловодостойкие структурные связи, так как такие грунты имеют большой запас неизрасходованной удельной, свободной поверхностной энергии. Эта свободная поверхностная энергия притягивает к поверхности частиц грунта молекулы воды, образуя вокруг частиц гидратную оболочку (слой связной воды). При этом между частицами грунта проявляются силы расклинивания, которые нарушают структурные связи и раздвигают частицы во все стороны, придавая грунту при этом более рыхлое состояние.

Степень набухания глинистых грунтов зависит:

· от минералогического состава глинистых фракций; наибольшее набухание имеют монтмориллонитовые глины, наименьшее – каолинитовые.

· от влажности грунтов в естественном состоянии, чем меньше влажность, тем больше величина набухания.

· от начальной плотности, чем больше плотность грунта в естественном состоянии, тем больше набухание.

К набухающим относятся грунты, которые имеют относительное набухание ≥ 0,04 (4%).

При 0,04≤ ≤0,08 – грунт слабонабухающий;

0,08< ≤0,18 – грунт средненабухающий;

0,08< – грунт сильнонабухающий.

15. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНЯ РАБОТЫ

3.1. Определение свободного относительного набухания грунта

Необходимое оборудование:

· прибор ПНГ;

· балансированный конус А.М.Васильева;

· шкаф сушильный;

· термометр по ГОСТ 2823-73Е со шкалой от 0 до 200°С, с ценой деления 2°С;

· стаканчики алюминиевые ВС-1 с крышками;

· шпатель металлический;

· нож с прямым лезвием;

· щипцы тигельные;

· весы лабораторные по ГОСТ 24104-80Е с гирями по ГОСТ 7328-82Е;

· ступка фарфоровая и пестик по ГОСТ 9147-80Е;

Для определения величины набухания глинистых грунтов применяется прибор ПНГ. Прибор ПНГ предназначен для определения характеристик набухания связных грунтов на образцах с естественной структурой и влажностью, и на образцах с нарушенной структурой.

Прибор ПНГ (рис. 1), состоит из перфорированного диска 7, кольца 5 с насадкой 4, соединительной скобы 2, индикатора 1, винтов 6, винта индикатора 8, поршня 3 и ванночки 9.

Верхняя часть перфорированного диска 7 имеет углубление для установки кольца и два отверстия с резьбой для винтов, с помощью которых крепится соединительная скоба 2, предназначенная для крепления кольца с насадкой и установки индикатора. Все скрепленные между собой детали устанавливаются в ванночку 9. Крышка 10, входящая в комплект, служит для удобства вырезания пробы.

Рис.1. Прибор для определения характеристик набухания грунта ПНГ

3.1.1. Подготовка к испытаниям

3.1.1.1. Прибор для проведения испытаний должен устанавливаться на жестком основании, исключающем вибрацию. Горизонтальность установки приборов проверяют по уровню. В помещении во время испытаний должна поддерживаться положительная температура.

3.1.1.2. Для каждого прибора следует определять: высоту и диаметр рабочего кольца.

3.1.1.3. Образец грунта для испытания на набухание вырезают режущим кольцом. Для испытываемых грунтов должны быть определены плотность (объемный вес), плотность минеральной части (удельный вес), влажность, границы текучести и раскатывания и гранулометрический. Результаты записывают в журнал испытаний (см. приложение).

3.1.1.4. Грунт в кольце следует покрыть с двух сторон фильтрами и поместить в ПНГ.

В журнале испытаний следует записать начальные показания индикаторов (n_o).

3.1.1.5. Характеристики набухания глинистого грунта нарушенного сложения следует определять на образцах с заданной величиной коэффициента пористости.

3.1.2. Проведение испытаний

3.1.2.1. В ПНГ следует налить жидкость и наблюдать за развитием деформаций во времени, записывая показания индикаторов в журнал испытаний (см. рекомендуемое приложение 3).

3.1.2.2. После замачивания образцов следует регистрировать деформации через 5; 10; 30; 60 мин. далее до достижения условной стабилизации деформаций.

За начало набухания следует считать относительную деформацию (e_sw), превышающую 0,001.

3.1.2.3. После завершения набухания образца грунта необходимо: слить воду (или раствор) из прибора; кольцо с влажным грунтом (без фильтров) взвесить и произвести контрольное измерение высоты образца грунта в кольце; грунт из кольца высушить в термостате при температуре (105 ± 2) °С. Все результаты измерений надлежит записать в соответствующий журнал испытаний (см. приложение).

3.1.3. Обработка результатов

Относительное набухание грунта e_sw определяется по формулам:

при инфильтрации влаги

, (19)

где h_n - высота образца природной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения давлением р, равным суммарному вертикальному напряжению у_z,tot на рассматриваемой глубине (значение у_z,tot определяется в соответствии с указаниями );

h_sat - высота того же образца после замачивания до полного водонасыщения, обжатого в тех же условиях;

Образцы грунта природного сложения для испытаний свободного набухания, следует вырезать из одного монолита грунта; образцы грунта нарушенного сложения следует приготовлять с заданными величинами плотности и влажности.

Свободное набухание определяется испытанием одиночного образца грунта.

Образцы грунта при испытании на набухание следует заливать грунтовой водой, взятой с места отбора грунта, водной вытяжкой или водой питьевого качества. В случаях, определяемых программой исследований, допускается применение дистиллированной воды и искусственно приготовленных растворов заданного химического состава.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. – М.: Издательство стандартов, 1984, – 19 с.

2. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений / Минземстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 1998 – 48 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

Исследование просадочных свойств глинистого грунта

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение физико-механических характеристик просадочных грунтов.

В результате выполнения настоящей работы исполнитель должен:

1. Изучить свойства структурно-неустойчивых грунтов;

2. Изучить при каких условиях происходит просадка оснований;

3. Знать какими параметрами характеризуются просадочные грунты;

4. Знать по какому признаку устанавливается тип грунтов по просадочности;

5. Изучить устройство и принцип работы применяемых приборов;

6. Уметь определять относительную деформацию просадки;

7. Знать принципы строительства на просадочных грунтах.

2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Структурно-неустойчивые грунты это слабые сильносжимаемые глинистые, лессовые просадочные, и вечномерзлые грунты. Использование этих грунтов в качестве оснований зданий и сооружений рассматривается с учетом условий возможного нарушения их природной структуры и развития просадки. На этой основе разрабатываются соответствующие мероприятия по обеспечению устойчивости зданий и сооружений. Наиболее распространенными на территории Тульской области являются лессовые грунты.

Лессы - это осадочные породы, состоящие из пылеватых фракций размерами от 0,05 до 0,002 мм (свыше 50%), которые в процессе образования оказались неуплотненными и структурно-неустойчивыми грунтами. Характерной особенностью лессовых грунтов является нарастание дополнительной деформации (просадки) от силы тяжести при их замачивании.

Природная влажность лессов составляет от 8 до 17%, пористость более 40%, а плотность 0,11—0,17 т/м³ осадки возникают как под действием силы тяжести грунта, так и под действием дополнительного давления от сооружения. Замачивание лессовых грунтов под сооружениями происходит в результате утечек воды из водопроводно-канализационных трубопроводов, интенсивной инфильтрации атмосферных вод через некачественно выполненные засыпку и отмостку, подъема уровня грунтовых вод при гидротехническом строительстве или обводнении территории предприятий и т. д. По характеру влияния увлажнения лессовые грунты разделяются на набухающие, непросадочные и просадочные.

По СНиП 2.02.01-83* к просадочным грунтам относятся лессы и лессовидные грунты со степенью влажности < 0,8, для которых значения показателя П меньше следующих значений

	< 0,1	0,1 … 0,14	0,14 … 0,22
Показатель П	0,1	0,17	0,24

Показатель П определяется по формуле

,

где е - коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности;

- коэффициент пористости того же грунта при влажности на границе текучести:

.

По этим показателям производится предварительная качественная оценка просадочности грунтов

Просадочные фунты характеризуются относительной просадочностью и начальным просадочным давлением

Относительная просадочность грунта определяется по формуле

,

где h_n,p и h_sat,p - высота образца соответственно природной влажности и после его полного водонасыщения (w = w_sat) при давлении p, равном вертикальному напряжению на рассматриваемой глубине от внешней нагрузки и собственного веса грунта p = s_zp + s_zg - при определении просадки грунта в верхней зоне просадки; при определении просадки грунта в нижней зоне просадки также учитывается дополнительная нагрузка от сил негативного трения;

h_n,g - высота того же образца природной влажности при p = s_zg.

За начальное просадочное давление принимают:

- давление, при котором относительная просадочность = 0,01при лабораторных испытаниях грунтов в компрессионном приборе;

- давление, равное) пределу пропорциональной зависимости на графике «осадка штампа - нагрузка» при полевых испытаниях штампами предварительно замоченных грунтов;

- природное давление на глубине, начиная с которого происходит просадка грунта от его силы тяжести при замачивании грунтов в опытных котлованах.

Начальное просадочное давление определяют для каждого слоя грунта по графику (рисунок 1) следующим образом:

а) производят компрессионные испытания грунта по методу двух кривых и находят при разных давлениях;

б) строят график ;

в) на графике проводят линию из точки = 0,01, параллельную оси абсцисс. Из точки пересечения ее с графиком просадки опускают перпендикуляр на ось р и получают значение начального просадочного давления.

Рисунок 1 – График зависимости относительной просадочности от давления

Начальное просадочное давление колеблется от 0,05 до 0,2 МПа.

В зависимости от начального просадочного давления различают грунты: сильнопросадочные 0,05 - МПа; средней просадочности - = 0,05...0,1 МПа; непросадочные — 0,2 МПа.

Начальное просадочное давление облегчает определение безопасного давления на подошве фундамента и выбор типа фундамента с учетом возможного замачивания просадочного основания. Чем больше начальное просадочное давление, тем устойчивее грунты при замачивании.

Давление, при котором следует определять (h_n,p и h_sat,p при испытании в компрессионном приборе), вычисляется по формуле

,

где - давление, вызванное нагрузкой от здания или сооружения на глубине z (отсчитывается от подошвы фундамента);

- давление от силы тяжести грунта на глубине z.

Дополнительное давление от здания или сооружения на глубине z определяется по формуле:

,

где - коэффициент распределения давления по глубине основания;

р - среднее давление от здания или сооружения под подошвой фундамента;

- давление от силы тяжести грунта на уровне подошвы фундамента (бытовое давление).

Если ≥ 0,01, то грунты относят к просадочным. Возможную просадку в пределах всей сжимаемой толщи СНиП 2.02.01 - 83* рекомендуют вычислять по формуле

,

где - относительная просадочность отдельных слоев грунта, определяемая при давлении p_i для середины каждого слоя;

h_i — толщина i-тогo слоя грунта;

n - число сжимаемых слоев грунта в пределах просадочной зоны;

- коэффициент условий работы основания (для фундаментов шириной 12 м = 1, а для ленточных фундаментов шириной до 3 м и прямоугольных шириной до 5 м ;

р - среднее давление под подошвой фундамента, кПа;

p_sl,i - начальное просадочное давление грунта i-того слоя, кПа;

р₀ - давление, равное 100 кПа.

В зависимости от просадки под действием силы тяжести грунтов при их замачивании, согласно СНиП 2.02.01-83*, лессовые грунты подразделяют на два типа: I тип — просадка от силы тяжести грунта отсутствует или не превышает 5 см, II тип — просад­ка от силы тяжести превышает 5 см.

В лессах I типа по просадочности просадка развивается преимущественно в активной зоне основания, а в лессах II типа просадка наблюдается как в активной зоне, так и ниже нее.

3 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Необходимое оборудование и методика определения те же, что и при компрессионных испытаниях грунтов в одометре.

Наибольшее распространение получили способы определения относительной просадочности грунта вкомпрессионных приборах по методу одной и двух кривых. По методу одной кривой (рисунок 2,а) испытывают одну пробу грунта естественной влажности W при заданном давлении. После стабилизации осадки грунт насыщают водой, замеряя просадку, и испытание продолжают уже для водонасыщенного грунта. По методу двух кривых (рисунок 2,б) компрессионным испытаниям подвергают две пробы грунта: одну - при естественной влажности, вторую - при полном водонасыщении, после чего строят графики зависимости коэффициента пористости от давления (ком­прессионные кривые), которые позволяют найти относительную просадочность грунта при любом заданном давлении.

1 — для грунта естественной влажности; 2 — для грунта, насыщенного водой

Рисунок 2 - Компрессионные кривые просадочного грунта:

а - по методу одной кривой; б - по методу двух кривых

Во время опытов принимают меры против высыхания образцов. Воду для замачивания образцов обычно подводят в прибор снизу, но можно и сверху.

Метод одной кривой применяют, когда заранее известно давление в грунте под подошвой фундамента. В противном случае прибегают к методу двух кривых. Относительную просадочность грунта в зависимости от коэффициентов пористости грунта можно определять по формуле

,

где - коэффициент пористости грунта естественной влажности, обжатого заданным давлением р;

- коэффициент пористости того же грунта при заданном давлении р после насыщения водой;

- коэффициент пористости грунта естественной влажности, обжатого природным давлением.

Просадка, как деформация, зависит (рисунок 3) от минералогического и гранулометрического составов грунта, его плотности, влажности и напряженного состояния, поэтому для каждого лессового грунта определяют просадочность при давлениях, которые он будет испытывать в основании под сооружением. Просадка сопровождается образованием трещин и понижением поверхности грунта.

Рисунок 3 - Графики зависимости относительной просадочности:

а - от числа пластичности; б - от коэффициента пористости; в - от степени влажности

Нагружение образцов в процессе испытаний просадочных лессовых грунтов производится ступенями нагрузки, соответствующие увеличению давления на образец = 50 кПа в интервале изменения давления от 0 до 400 кПа. Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации осадки образца.

После приложения каждой ступени нагрузки через определенные промежутки времени производится отчет по индикаторам, регистрирующим осадку образца.

Первый отчет берется через 2мин. После передачи заданной ступени нагрузки, следующие 5, 7, 12, 15мин.

Целесообразнее замачивать образец снизу. При этом воду заливают в поддон через трубку с воронкой. В процессе замачивания уровень воды в воронке поддерживается приблизительно постоянным. С момента замачивания производится отсчет через 5 мин. Показания индикаторов записываются в журнал.

Результаты испытаний

Время	Давление на образец, кПа	Деформация образца , мм	Относительное сжатие	Первоначальная высота образца h0, мм

Для испытаний просадочных грунтов применяем «упрощенный» метод, который представляет собой простую модификацию метода «двух кривых» и позволяет испытывать на одном образце грунт с природной влажностью и в водонасыщенном состоянии, который применяется в данной лабораторной работе.

Образец грунта с природной влажностью нагружается ступенями до заданного промежуточного давления на грунт , близкого к величине начального просадочного давления, но не менее 100 кПа. После стабилизации осадки образец грунта при этом давлении замачивается.

После достижений стабилизации просадки продолжается загружение образца ступенями до заданного давления при непрерывном замачивании. Деформации образца с природной влажностью при давлении большем и в водонасыщенном состоянии при давлении, меньшем , определяются экстраполяцией, при этом первый участок графика 1 продолжается в виде прямой линии в сторону увеличения давления, а второй участок 2 продолжается в сторону уменьшения давления до пересечения с первым участком (рисунок 4).

1 - относительное сжатие грунта с природной влажностью; 2 - относительная проса­дочность грунта при заданном промежуточ­ной давлении; 3 - относительное сжатие грунта в водонасыщенном состоянии; 4 - относительная просадочность грунта (раз­ность ординат кривых 3 и 1) при различ­ных давлениях

Рисунок 4 - График зависимости относи­тельного сжатия грунта от давления по испытаниям «упрощенным» методом

1 - относительное сжатие грунта с при­родное влажностью; 2 - относительное сжа­тие грунта в водонасыщенном состоянии; 3 - относительная просадочность грунта (разность ординат кривых 2 и 1); 4 -отно­сительная просадочность грунта на последней ступени нагрузки; Р_пр – начальное просадочное давление

Рисунок 5 - График зависимости относи­тельного сжатия просадочного грун­та от давления по испытаниям мето­дом «двух кривых».

Результаты вычисления относительного сжатия используют для построения графика зависимости с выделением на них просадочных деформаций.

Масштаб для графиков принимается для по горизонтали 100 кПа – 40 мм, для относительного сжатия (по вертикали вниз) 0,01- 10 мм.

График зависимости относительного сжатия грунта от давления по испытаниям «упрощенным методом» строится следующим образом:

- строят зависимость относительной деформации образца от давления с природной влажностью (1). При Р = 100 кПа производят замачивание грунта. Этот участок графика продолжается в виде прямой линии в сторону увеличения давления, во второй участок в сторону уменьшения давления до пересечения с первым участком. Кривая относительной просадочности строится по разности ординат кривых (3 и 1).

На графике проводят линию из точки = 0,01, параллельную оси абсцисс. Из точки пересечения ее с кривой относительной просадочности ( ) восстанавливают перпендикуляр на ось Р и получают значение начального просадочного давления. Начальное просадочное давление колеблется в пределах 50 - 200 кПа.

СОДЕРЖЕНИЕ ОТЧЕТА

1. Основные теоретические положения.

2. Краткое описание приборов.

3. Методика выполнения работ.

4. Таблица результатов испытаний.

5. Графики зависимости относительного сжатия от давления.

6. Краткие выводы по результатам испытаний с определением типа грунтов по величине начального просадочного давления.