Характеристики механических свойств грунтов

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………..………..….3

Характеристики механических свойств грунтов

Лабораторная работа №1. Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта в фильтрационном приборе КФ-00 ……………………………..………..6

Лабораторная работа №2. Определение сопротивления грунтов

сдвигу ……………………………………………………………………..…..……8

Лабораторная работа №3. Определение угла естественного откоса песчаного грунта …………………………………………………………………..…………..12

Лабораторная работа №4. Определение компрессионной зависимости водонасыщенного грунта нарушенной структуры ……………………………..14

Лабораторная работа №5. Определение модуля общей деформации грунта. Характер развития деформаций грунтов во времени …………..………………20

Список рекомендуемой литературы ……………………………….…….25

Введение

«Механика грунтов» изучает рыхлые горные породы, называемые грунтами. Характерной особенностью грунтов, как природных тел, является их раздробленность (дисперсность), что коренным образом отличает грунты от скальных пород и других строительных материалов.

Основная цель лабораторных работ – ознакомление на практике с методами определения показателей физических и механических свойств грунтов. Эти показатели позволяют оценить свойства грунтов численными величинами и сравнить различные грунты друг с другом.

Физические свойства характеризуют состав, структуру, весовые данные и физическое состояние грунтов. К ним относятся:

· показатели физических свойств:

плотность грунта естественной ненарушенной структуры;

плотность твердых частиц грунта;

природная влажность;

плотность сухого грунта (скелета грунта);

удельный вес грунта;

удельный вес твердых частиц грунта;

удельный вес сухого грунта (скелета грунта);

пористость;

коэффициент пористости;

коэффициент водонасыщения (степень влажности).

Первые три показателя (плотность грунта, плотность твердых частиц и влажность) являются характеристиками основных физических свойств грунтов и определяются непосредственно из опытов. Все остальные вычисляются по формулам.

· классификационные показатели:

зерновой (гранулометрический) состав;

число пластичности;

плотность сложения крупнообломочных и песчаных грунтов;

консистенция пылевато-глинистых грунтов.

Механические свойствахарактеризуют прочность, деформируемость и скорость уплотнения грунтов под нагрузкой. Показателями механических свойств грунтов являются

I. прочностные показатели:

предельное сопротивление сдвигу и его параметры – угол внутреннего трения и удельное сцепление;

начальная структурная прочность грунтов.

II. характеристики деформируемых грунтов в фазе уплотнения:

коэффициент сжимаемости грунта и коэффициент относительной сжимаемости;

модуль общей деформации грунта;

коэффициент относительной поперечной деформации.

III. показатели скорости уплотнения грунтов во времени:

коэффициент фильтрации (водопроницаемости) и начальный градиент напора;

параметры ползучести скелета грунта.

В конечном итоге характеристики физических и механических свойства дают возможность классифицировать грунты как основания сооружений и оценить их прочностные и деформативные свойства, необходимые для расчетов оснований и фундаментов.

Выполнение лабораторных работ по «Механике грунтов» способствует углублению и закреплению теоретических знаний по изучаемому курсу.

Правила для студентов

Перед началом каждой работы необходимо ознакомиться с ее содержанием, порядком выполнения, необходимым оборудованием и материалами, а также заготовить формы для записи результатов испытаний. Работы выполняются под контролем преподавателя.

В конце каждого занятия необходимо оформить отчет по выполненной работе и предъявить его преподавателю. В отчете должны быть приведены цифровые и графические результаты, схемы приборов, краткое описание хода работы и т.д.

По окончании занятия студент обязан привести в порядок свое рабочее место.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Ход работы

1. После водонасыщения песка в цилиндре (устанавливается визуально по изменению цвета песка), поставленного в сосуд с водой в конце работы №5, цилиндр с песком (1) вынимается из сосуда, вода выливается и цилиндр вновь устанавливается в сосуд. На поверхность песка кладут латунную сетку (2), сверху надевают крышку (3), рис. 4.

2. Мерный стеклянный сосуд Мариотта (4) заполняют водой, зажимают его отверстие пальцем, переворачивают вверх дном и вставляют в крышку (3) прибора так, чтобы стекло касалось латунной сетки (2).

В таком положении мерный сосуд автоматически поддерживает постоянный уровень воды, практически совпадающий с поверхностью песка. Поэтому напор воды Н равен длине пути фильтрации l, т.е. J=1.

При равномерном поступлении пузырьков воздуха в сосуд Мариотта, что свидетельствует об установлении стационарного режима фильтрации, берут отсчет объема по его шкале и засекают время по секундомеру.

Второй отсчет времени необходимо взять при уровне воды, совпавшем с делением шкалы объема «100».

Рис. 4. Прибор для определения коэффициента фильтрации

Результаты опыта повторить 2 раза и занести в таблицу 6.

Форма записи результатов определения

коэффициента фильтрации песчаного грунта

Время фильтра ции воды t, с	Отсчеты по шкале мерного сосуда	Площадь прибора А, см2	Гидравлический градиент J=Н/l	Объем профильтро вавшейся воды Q, см3	Коэффициент фильтрации Кф, см/с	Средний коэффициент фильтрации Кфср, см/с
		25,0
		25,0

Результат: коэффициент фильтрации К_ф=______см/с.

(указать тип песка и его плотность сложения)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Ход работы

1. Рычаг сдвиговой нагрузки (3) соединяется с кареткой (8) прибора. К рычагу подвешивается сосуд (10).

2. В гнездо прибора закрепляется индикатор часового типа ИЧ-10 для замера деформаций сдвига. Индикатор закрепляется в таком положении, чтобы подвижная ножка была сдвинута на 70-80% свободного хода, после чего шкала индикатора устанавливается на нуль.

3. Отвинчиваются горизонтальные упорные винты (11) каретки.

4. Для плавного приложения горизонтальной нагрузки вода подается из шланга на стенку сосуда малой струей и лишь до момента начала сдвига. Наблюдение за сдвигом ведется по шкале индикатора.

5. При заметном движении стрелки индикатора подача воды прекращается, а затем снова возобновляется после остановки движения стрелки индикатора и т.д. сдвиг считается законченным, если по показаниям индикатора перемещение каретки достигнет 4 мм.

6. После завершения сдвига сосуд с водой взвешивается. Результаты взвешивания записываются в таблицу.

Описанным способом осуществляется испытание на сдвиг всех трех образцов.

Форма записи результатов определения

№ Образ ца	Уплотняю щая нагруз ка N, Н	Площадь образца А, м2	Нормальное уплотняю щее напряжение σ, кПа	Вес сосуда с грузом Q, Н	Сдвигаю щее усилие Т, Н	Сопротивле ние грунта сдвигу τ=Т/А, кПа

Обработка результатов сводится к вычислению сопротивления грунта сдвигу при различных значениях уплотняющих напряжений, построению диаграммы (рис. 6) и определении угла внутреннего трения φ и сцепления с.

При построении диаграммы сдвига величины σ и τ рекомендуется откладывать в масштабе: 100 кПа=4 см.

Рис. 6. Диаграмма сдвига

По полученным опытным точкам проводится осредненная прямая, описываемая уравнением: τ=σ·tgφ+с.

Тангенс угла внутреннего трения, а по нему – угол внутреннего трения φ, определяется по формуле

,

где , - величины сопротивления сдвигу, взятые по диаграмме, если они не лежат на прямой.

Сцепление определяется по формуле

с= – σ·tgφ.

Результат: φ=______°; С=_______кПа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ПЕСЧАНОГО ГРУНТА

Максимальный угол между горизонтальной плоскостью и поверхностью свободного откоса песчаного грунта, при котором песок еще сохраняет устойчивость, называется угломестественного откоса.

Величина угла естественного откоса является постоянной при любой высоте откоса для одного и того же вида песка при одинаковой его плотности. Этот угол тем больше, чем крупнее песок, чем хуже окатанность его зерен и чем выше плотность сложения песка.

Для сухих водонасыщенных рыхлых песков значение угла естественного откоса практически совпадает с углом внутреннего трения.

При проектировании земляных сооружений угол естественного откоса сыпучего грунта является одной из основных расчетных характеристик.

Необходимое оборудование и материалы:

o сыпучий грунт (песок);

o прибор УВТ-3 для определения угла естественного откоса песка (рис.7);

o совок, воронка, резиновый молоточек.

Ход работы

Прибор УВТ-3 для определения угла естественного откоса песка состоит из круглого столика со стойкой в центре, на которую нанесена шкала в градусах, и полой обоймы в виде усеченного конуса.

Угол откоса определяется для воздушно-сухого и водонасыщенного песка. Для большей достоверности оба опыта выполняются с трехкратной повторяемостью.

Рис. 7. Схема прибора УВТ-3:

1 – столик со стойкой; 2 – обоймы; 3 – подставка.

Сухой песок

1. Столик (1) с обоймой (2) устанавливается на подставку (3) на горизонтальной поверхности стола (наклон поверхности не должен превышать 1°). Песок с помощью совка и воронки засыпается в обойму с легким постукиванием по ней резиновым молоточком.

2. Обойма плавно приподнимается на несколько мм в вертикальном направлении и после медленного осыпания песка снимается с прибора.

3. Оставшийся на столике песок образует конус с минимальным углом естественного откоса для данного песка. Значение угла естественного откоса определяется по шкале на стойке прибора с точностью до одного градуса.

4. Опыт повторяется не менее трех раз. Расхождение между повторными определениями не должно превышать 2°. За угол естественного откоса принимается среднее арифметическое значение показаний.

Все данные заносятся в таблицу.

Водонасыщенный песок

1. Столик с обоймой устанавливается в резервуар. Обойма заполняется песком (как указано в п.1 для сухого песка).

2. Резервуар заполняется водой через резиновую трубку, опущенную на дно, так, чтобы она 2-3 мм не доходила до верха обоймы. После насыщения песка водой (через отверстия в столике), о чем свидетельствует изменение цвета песка, опыт продолжается так же, как указано в пп.2-4 для сухого песка.

Результаты заносятся в таблицу.

Форма записи результатов определения угла естественного откоса песка

Сухой песок	Водонасыщенный песок
№ определения	Угол в градусах	Среднее значение угла	№ определения	Угол в градусах	Среднее значение угла
		α=			α=

Результат: угол естественного откоса песка:

в воздушно-сухом состоянии α=_____;

в водонасыщенном состоянии α=____;

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Подготовительные работы

Опыт проводится с уже приготовленным водонасыщенным грунтом. До зарядки одометра грунтом необходимо ознакомиться с его конструкцией (рис. 10). В качестве одометра в работе используется основная часть прибора предварительного уплотнения ГГП-29, который состоит из следующих элементов: верхнего (1) и нижнего (2) колец внутренней разъемной гильза; верхней (3) и нижней (4) частей наружного цилиндра; днища (6), поршня-штампа (8) и ванны (5).

Работа выполняется в течение трех занятий.

Рис. 10. Схема основной части прибора предварительного уплотнения ГГП-29, используемая в качестве одометра.

Ход работы

1 занятие. Зарядка одометра

1. В верхнее кольцо (1) внутренней разъемной гильзы вмазывается (без пустот) шпателем грунт; его поверхность выравнивается с краями кольца с обеих сторон. Кольцо с грунтом вкладывается в верхнюю часть (3), а нижнее кольцо (2) – в нижнюю (4) часть наружного цилиндра, после чего обе части цилиндра свинчиваются.

2. Цилиндр с грунтом помещается в ванну, на дне которой расположено пористое днище (6), покрытое кружком фильтровальной бумаги. Поверхность грунта также покрывается кружком фильтровальной бумаги, и на нее с помощью вспомогательного стержня (7) устанавливается пористый штамп, грунт продавливается вниз до соприкосновения с днищем.

3. Ванна с грунтом устанавливается под рычаг прибора для уплотнения и на его подвеску прикладывается груз в соответствии с заданным уплотняющим напряжением, указанным в таблице 9 (соотношение плеч рычага 1:10).

В зазор между стенками ванны и цилиндра и на штамп наливается вода. Грунт уплотняется до следующего занятия.

Описанным способом производится зарядка и уплотнение 4-х одометров.

Коэффициент пористости е =ρs·Wsаt
Влажность грунта Wsаt
Масса бюкса с сухим грунтом m2, г
Масса бюкса с влажным грунтом m1, г
Масса бюкса m0, г
№ бюкса
Уплотняющее напряжение σ, кПа
Площадь прибора А, м2	40:10-4	−//−//−	−//−//−	−//−//−
Вес груза на подвеске рычага уплотняющего давления N, Н

2-е занятие. Разгрузка одометров

4. Снимается нагрузка с рычага уплотняющего прибора, одометр разбирается, извлекается гильза с грунтом.

5. Грунт из гильзы выдавливается поршнем, бумажные фильтры снимаются и капельная влага с поверхности образцов удаляется сухой фильтровальной бумагой.

6. Берется проба грунта массой не менее 15 г в предварительно взвешенный бюкс для определения влажности (см. лабораторную работу №2). Бюкс с влажным грунтом после взвешивания помещается в термостат для высушивания.

3-е занятие. Определение влажности и построение компрессионной кривой

7. Бюксы с высушенным грунтом взвешиваются. Вычисляются влажности и коэффициенты пористости грунта. Все результаты заносятся в таблицу 9.

8. Строится компрессионная кривая е=f(σ) (рекомендуемые масштабы: для уплотняющего напряжения – 100 кПа=4 см; для коэффициента пористости – 0,100=4 см) и для заданного интервала напряжений определяется коэффициент сжимаемости. Результат:

a) компрессионная кривая

b) коэффициент сжимаемости: .

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Подготовительные работы

Грунтоотборными кольцами одометров (принципиальная схема одометра приведена на рис. 8, а) были отобраны из монолитов образцы пылевато-глинистого и песчаного грунтов ненарушенной структуры. Площадь образцов 25 см², высота 20 мм. Каждый одометр помещен под рычажную систему уплотняющей нагрузки с соотношением плеч 1:25. Для сохранения влажности грунта в процессе испытания в полость под пористое днище одометра залита вода, а на штамп – поршень помещена вата, смоченная водой. До приложения нагрузки (σ₀=0) поставлены индикаторы и записаны начальные отсчеты по ним. Затем к каждому образцу была приложена первая ступень уплотняющего напряжения σ₁=50 кПа. Под этим напряжением образцы уплотнялись в течение суток (Т=24 часа) до полного прекращения деформаций.

До начала работы необходимо научиться быстро и правильно брать отсчеты по индикаторам и заготовить формы таблиц 10 и 11.

Индикатор часового типа ИЧ-10 с пределом измерения 0-10 мм имеет два циферблата: малый, по которому отсчитываются целые миллиметры, и большой – для отсчета долей миллиметра, с ценой деления 0,01 мм. Отсчеты по индикатору берутся с точностью до тысячной доли, которые определяются на глаз.

Ход работы

1. Перенести показания индикаторов при σ₀=0 в таблице 10 из карточки у приборов.

2. При напряжении σ₁=50 кПа перед приложением второй ступени нагрузки берется отсчет по индикатору и записывается в таблицу. Этот же отсчет дублируется в следующей строке таблицы при σ₂=200 кПа.

3. К образцу с пылевато-глинистым грунтом прикладывается вторая ступень нагрузки. Для этого на подвеску рычажной системы плавно опускается груз весом 15 Н, т.е. напряжение доводится до σ₂=200 кПа и в этот же момент замечается время по секундомеру или часам.

4. Первый отсчет при напряжении σ₂ берется через 1 мин после приложения нагрузки. При этом первые две цифры отсчета готовятся заранее, а в момент отсчета уточняются последние две цифры (сотые и тысячные). Точно такие берутся последующие отсчеты в моменты времени, указанные в таблице 10. Время отсчитывается от начала приложения второй ступени нагрузки.

К образцу с песчаным грунтом вторая ступень нагрузки прикладывается после снятия десятиминутного отсчета у образца с пылевато-глинистым грунтом.

5. Одновременно с занесением в таблицу 10 отсчетов по индикатору заполняются все остальные ее графы. Величина деформации во времени от второй ступени напряжения (графа 4) определяется вычитанием из отсчета по индикатору при Т=0 последовательных отсчетов для каждого момента времени Т=1,2,3 мин и т.д. При Т=0 деформация S=0. Для получения полной деформации при каждой величине напряжения (графа 5) нужно из значения отсчета по индикатору при σ₀=0 последовательно вычесть отсчеты при σ₁=50 кПа и при σ₂=200 кПа в момент окончания опыта. В таблице 10 приведен пример ее заполнения.

Следует отметить, что деформация пылевато-глинистого грунта второй ступени напряжения к моменту окончания опыта не успевает завершиться и принимается условно за полную деформацию.

6. По данным таблицы 10 (графы 1 и 5) заполняется таблица 11. При этом начальные коэффициенты пористости (при σ₀=0) принимаются для глины е₀=1,100, а для песка е₀=0,700.

Все вычисления производятся с точностью до тысячного знака.

7. По данным таблицы 11 строятся компрессионные кривые для песчаного и пылевато-глинистого грунтов (рекомендуемые масштабы по работе №9), определяются коэффициенты сжимаемости m₀, и модуля общей деформации Е₀ в интервале напряжений от σ₁ до σ₂.

Результат:

a) компрессионные кривые (график);

b) коэффициент сжимаемости:

песчаного грунта: m₀=________кПа^-1,

пылевато-глинистого грунта: m₀=________кПа^-1;

c) коэффициент относительной сжимаемости:

песчаного грунта: m_v=________кПа^-1,

пылевато-глинистого грунта: m_v=_______кПа^-1;

d) модуль общей деформации по результатам компрессионных испытаний:

песчаного грунта: Е₀=_______кПа,

пылевато-глинистого грунта: Е₀=_______кПа.

8. По данным таблицы 10 (графы 2 и 4) строятся графики затухания осадок во времени (кривые нарастания деформаций во времени от второй ступени напряжения) рис. 11.

Рекомендуемые масштабы:

· для деформаций – 0,1 мм=1 см;

· для времени – 2 мин=1 см.

Таблица 10. Форма записи результатов определения деформации грунта

(с примером ее заполнения)

Напряжение σ, кПа	Время от начала приложения данной ступени напряжений Т	Отсчет по индикатору мм	Нарастание деформаций от 2-й ступени напряжения S, мм	Полная деформация при данном напряжении Δhi, мм
Глинистый грунт
σ0=0 σ1=50 σ2=200 −//−//− −//−//− −//−//− −//−//− −//−//− −//−//− −//−//− −//−//−	0 24 часа 0 1 мин 2 −//−//− 3 −//−//− 5 −//−//− 10 −//−//− 20 −//−//− 30 −//−//− 60 −//−//−	9,000 8,177 8,177 7,930 7,835 7,774 7,692 7,587 7,445 7,305 7,250	− − 0,000 0,247 0,342 0,403 0,485 0,590 0,732 0,872 0,927	0,000 0,827   1,750
Песчаный грунт
σ0=0 σ1=50 σ2=200 −//−//− −//−//− −//−//− −//−//− −//−//− −//−//−	0 24 часа 0 1 мин 2 −//−//− 3 −//−//− 5 −//−//− 10 −//−//− 20 −//−//−	8,505 8,163 8,163 8,067 8,025 8,016 8,004 8,002 8,000	− − 0,000 0,096 0,138 0,147 0,159 0,161 0,163	0,000 0,342   0,505

Таблица 11. Результаты компрессионных испытаний грунтов

Грунт	Интенсивность напряжения σ, кПа	Полная деформация при данном напряжении Δhi, мм	Изменение коэффициента пористости	Коэффициент пористости
Пылевато-глинистый	0 50 200	0,000	0,000	е0=1,100 е1= е2=
Песчаный	0 50 200	0,000	0,000	е0=0,700 е1= е2=

Рис. 11.График затухания осадок во времени.

Вывод о характере затухания деформаций песчаного и глинистого грунтов:______.

Сергазы Оспанович Оспанов

Виталий Анатольевич Хомяков

ГЕОТЕХНИКА II

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Редактор Есимханова А.Е.

Сводный план 2007-2008 уч.года, поз.№

Формат 60х84 1/16. Бумага типографская. Ризограф.

Усл.печ.л. Уч.-изд. Л. Тираж Экз.

Заказ №

Цена договорная.

Издание Казахской головной

архитектурно-строительной академии

Издательский дом «Строительство и архитектура»

050043,г. Алматы,ул. Рыскулбекова,28.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………..………..….3

Характеристики механических свойств грунтов

Лабораторная работа №1. Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта в фильтрационном приборе КФ-00 ……………………………..………..6

Лабораторная работа №2. Определение сопротивления грунтов

сдвигу ……………………………………………………………………..…..……8

Лабораторная работа №3. Определение угла естественного откоса песчаного грунта …………………………………………………………………..…………..12

Лабораторная работа №4. Определение компрессионной зависимости водонасыщенного грунта нарушенной структуры ……………………………..14

Лабораторная работа №5. Определение модуля общей деформации грунта. Характер развития деформаций грунтов во времени …………..………………20

Список рекомендуемой литературы ……………………………….…….25

Введение

«Механика грунтов» изучает рыхлые горные породы, называемые грунтами. Характерной особенностью грунтов, как природных тел, является их раздробленность (дисперсность), что коренным образом отличает грунты от скальных пород и других строительных материалов.

Основная цель лабораторных работ – ознакомление на практике с методами определения показателей физических и механических свойств грунтов. Эти показатели позволяют оценить свойства грунтов численными величинами и сравнить различные грунты друг с другом.

Физические свойства характеризуют состав, структуру, весовые данные и физическое состояние грунтов. К ним относятся:

· показатели физических свойств:

плотность грунта естественной ненарушенной структуры;

плотность твердых частиц грунта;

природная влажность;

плотность сухого грунта (скелета грунта);

удельный вес грунта;

удельный вес твердых частиц грунта;

удельный вес сухого грунта (скелета грунта);

пористость;

коэффициент пористости;

коэффициент водонасыщения (степень влажности).

Первые три показателя (плотность грунта, плотность твердых частиц и влажность) являются характеристиками основных физических свойств грунтов и определяются непосредственно из опытов. Все остальные вычисляются по формулам.

· классификационные показатели:

зерновой (гранулометрический) состав;

число пластичности;

плотность сложения крупнообломочных и песчаных грунтов;

консистенция пылевато-глинистых грунтов.

Механические свойствахарактеризуют прочность, деформируемость и скорость уплотнения грунтов под нагрузкой. Показателями механических свойств грунтов являются

I. прочностные показатели:

предельное сопротивление сдвигу и его параметры – угол внутреннего трения и удельное сцепление;

начальная структурная прочность грунтов.

II. характеристики деформируемых грунтов в фазе уплотнения:

коэффициент сжимаемости грунта и коэффициент относительной сжимаемости;

модуль общей деформации грунта;

коэффициент относительной поперечной деформации.

III. показатели скорости уплотнения грунтов во времени:

коэффициент фильтрации (водопроницаемости) и начальный градиент напора;

параметры ползучести скелета грунта.

В конечном итоге характеристики физических и механических свойства дают возможность классифицировать грунты как основания сооружений и оценить их прочностные и деформативные свойства, необходимые для расчетов оснований и фундаментов.

Выполнение лабораторных работ по «Механике грунтов» способствует углублению и закреплению теоретических знаний по изучаемому курсу.

Правила для студентов

Перед началом каждой работы необходимо ознакомиться с ее содержанием, порядком выполнения, необходимым оборудованием и материалами, а также заготовить формы для записи результатов испытаний. Работы выполняются под контролем преподавателя.

В конце каждого занятия необходимо оформить отчет по выполненной работе и предъявить его преподавателю. В отчете должны быть приведены цифровые и графические результаты, схемы приборов, краткое описание хода работы и т.д.

По окончании занятия студент обязан привести в порядок свое рабочее место.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1