Методы и технические средства опытных полевых инженерно-геологических работ

ВВЕДЕНИЕ

Инженерно-геологическое опробование горных пород направлено на выявление состава, состояния, физикомеханических и водных свойств пород, слагающих основания являющихся средой размещения сооружений или строительным материалом. Опробование чаще всего осуществляется с помощью отбора проб нарушенного (образцов) и ненарушенного (моно­литов) сложения из обнажений, буровых скважин, горных выработок, строительных котлованов и карьеров.

Образцы и монолиты изучаются и испытываются лабораторными мето­дами. От в большинстве своем дешевые и обычно обеспечивают высокую точность измерений, но из-за малых объемов проб, нарушения напряжен­ного состояния, влияния транспортировки, хранения и подготовки к ис­пытаниям в производственных условиях требуют значительного количест­ва проб и не всегда обеспечивают получение надежных показателей.

Для устранения отмеченных недостатков лабораторные исследования дополняются проведением полевых опытных испытаний грунтов. В этом случае пробы не извлекаются на поверхность земли, а испытываются на месте в массиве в условиях природного напряженного состояния с по­верхности земли или в скважинах, шурфах, шахтах, штольнях и котлова­нах, При том опробуемый объем породы зависит от используемого метода полевых испытаний, от размера лабораторной пробы в несколько см³ до десятка к сотен см³ или м³ и даже могут быть соизмеримы с размерами оснований.

Среди полевых методов в практике изысканий используются наиболее надежные прямые метода определения прочности, сжимаемости и водопроницаемости грунтов, моделирующие работу массива или сооружений.

Это обычно дорогие, трудоемкие и длительные традиционные испытания грунтов, сдвиговые, штамповые, опытное замачивание котлованов,проб­ная забивка свай, откачки, нагнетания и др.

Особую роль в настоящее время приобретают экспресс-методы, позволяющие быстро и дешево изучать свойства грунтов. Они развиваются, во-первых, на базе прямых методов за счет их механизации и автоматизации, а также разработки ускоренных методик испытаний. Во-вторых, большая их часть развивается за счет косвенных методов. С помощью последних изучаются параметры грунтов, которые не являются расчетными или основными характеристиками грунтов, но могут быть с ними связаны тарировочными зависимостями. Из экспресс-методов наибольшее распространение получили зондировочные исследования грунтов, а такаю геофизические, основанные на сейсморазведочных, электроразведочных и радиоизотопных методах.

В зависимости от изучаемых свойств, а также различий и специфики производства работ опытные полевые методы инженерно-геологического опробования грунтов разделяются на три группы: инженерно-геологиче ские, гидрогеологические (опытно-фильтрационные) и геофизические.

Инженерно-геологическое опробование пород проводится на всех этапах изысканий для разработки предпроектной документации, проекта и рабочей документации. Детальность опробования повышается по мере перехода к более поздним этапам изысканий. Методы опробования меняются в зависимости от целей, поставленных этапами изысканий, и категорий сложности инженерно-геологических условий территории.

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОПЫТНЫХ ПОЛЕВЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ

В состав инженерно-геологических изысканий как обязательный элемент входят исследования грунтов в поле, т.е.. непосредственно на месте их залегания.

Изучение грунтов в натурных условиях преследует главную цель - дать оценку их физико-механических свойств в условиях естественного залегания с присущими конкретному массиву грунтов неоднородностью состава и свойств грунтов, с естественным напряженным состоянием, влажностным и температурным режимом.

Исследования включают разнообразные веды разведки и испытаний грунтов полевыми методами: геофизическими, радиоизотопными, зондиро- вочными, статическими нагружениями, сдвигами целиков, испытанием инвентарных (модельных) свай и др.

В практике инженерно-геологических изысканий полевые методы применяются, как правило, в комплексе с лабораторными исследованиями грунтов.

Выбор каждого метода и их рационального комплекса определяется решаемой задачей, стадией проектно-изыскательских работ, сложностью инженерно-геологических условий и степенью изученности исследуемого района.

Приведем общую схему исследований грунтов комплексом полевых методов. После предварительного изучения геологических условий района по фондовым и литературным данным (в том числе по анализу имеющихся геологических карт и геологических разрезов),а также после рекогносцировочного обследования изучаемого района выполняется ограниченный объем бурения для уточнения геологического строения рассматриваемого участка. Затем выполняется комплекс полевых работ по геофизической разведке с целью установления мощности рыхлых четвертичных отложений, отбивки кровли плотных, прочных пород и уточнения положения уровня Подземных вод. После этого проводятся испытания грунтов динамическим или статическим зондированием для выделения границ пород с разной ,плотностью-прочностью, т,е. для инженерно-геологического расчленения в увязке с литологическим составом.

На основании этих исследований выделяются однородные слои и линзы и намечаются места для более подробных исследований грунтов штампами, сдвигами целиков и другими трудоемкими и дорогостоящими методами. Иногда эти методы заменяются более дешевыми экспресс-методами типа зондирования и лопастного сдвига.

Указанные выше метода используются в следующих наиболее распространенных модификациях:

1) геофизические - сейсмо- и электроразведка;

2) зондировочнче -динамическое, статическое и вибрационное зондирование;

3) радиоизотопные - гамма-гамма и нейтронный каротаж;

4) сдвиговые - сдвиги целиков грунта методами выдавливания и обрушения призм,сдвиги призм по заданной плоскости и вращательным срезом в буровых скважинах;

5) статические нагружения - штампами и прессиометрами;

6) взрывные испытания - стандартными камуфлетными взрывами и взрывным зондированием в скважинах;

7) инвентарными сваями - со статическим и динамическим способами погружения.

В период учебной практики студенты знакомятся на полигоне МИСИ со следующими видами инженерно-геологических исследований:

1) испытанием грунтов статическими нагрузками на штамп;

2)испытаниями грунтов динамическим зондированием в модификациях глубинного зондирования, выполняемого стандартной,серийно выпускаемой установкой УБП-15М,а также легким забивным зондом.

3)отбором образцов грунта ненарувенной структуры стандартным режущим цилиндром с целью последующего определения показателей плотности и влажности грунта.

Каждой метод позволяющий оценить определенные свойства грунтов обладает своими достоинствами и недостатками имеет свою область применения, отличается трудоемкостью и стоимостью проведения работ.

Например, испытания грунтов штампами дают наиболее полные и дасто- верные данные о сжимаемости грунтов в массиве, но отличаются трудоемкостью, длительностью проведения испытания и высокой стоимостью (до 2 тыс.р.), особенно при испытании грунтов штампом в щурфе с водопонижешем. Методы зондирования грунтов относятся к числу экспрессных, т.е. ускоренных методов. Зондирование проводится независимо от положения уровня подземных вод. Метод обладает высокой производительностью и низкой стоимостью (21 р. одна скважина), однако он позволяет получить лишь косвенные характеристики физико-механических свойств грунтов. Для интерпретации получаемых результатов зондирования проводят тарирование зондов в натурных условиях или используют табличные данные для приближенной оценки свойств грунтов. Одним из принципов инженерно-геологических изысканий является комплексное использование полевых методов в оптимальном сочетании их видов и объемов работ применительно к решаемым задачам, стадии проектно-изыскательских работ и конкретным инженерно-геологическим условиям.

В приведенных ниже заданиях студенты должны ознакомиться с различными видами полевых работ, их назначением, применяемым оборудованием , технологией проведения опытов, правилами обработки опытных данных и интерпретацией полученных материалов.

Задание 9. Определение модуля общей деформации грунтов статическими нагрузками на штамп

Сжимаемость грунтов наиболее точно определяется нагрузками на штамп. При этом испытанию подвергается большой объем грунта, сохраняющий природное напряжение, естественную влажность, текстуру, температуру и, главное, неоднородность. В лабораторных условиях в образцах обычно не удается сохранить многие из названных свойств грунтов.

Цель и результаты работы - ознакомиться с методом испытания грунтов статическими нагрузками на штам 1м для оценки их сжимаемости в полевых условиях и произвести пробное испытание грунтов штампом площадью 5000 см²

Студенты должны иметь:

1) полевой журнал (прил.1);

2)графики зависимости осадки штампа от удельного давления и времени по ступеням нагрузки S=f(t) (рис.1)

3)расчет модуля обшей деформации грунтов E₀.

*Задания 1-8 приведены в методических указаниях по теме 1 Инженерно-геологическая разведка .

Основные положения метода и техническая характеристика штамповой установки

Все грунты в той или иной степени дефоршруются - сжимаются за, счет уплотнения под действием приложенной к ним статической нагрузки. Деформация грунтов слагается из упругой нагрузки, восстанавливающейся после снятия, к остаточой. Последняя преобладает в обломочных, песчаных, глинистых и сильно трещиноватых скальных грунтах. Количественной характеристикой упругой и остаточной деформации, т.е. сжимаемости, является модуль общей деформации Е₀, используемой проектировщиками для р очета осадок сооружений. Модулем деформации называется коэффициент пропорциональности между приращениями нагрузки и осадки.

Модуль общей деформации в полевых условиях чаще всего определяется по результатам испытания грунтов с помощью штампа в шурфах, скважинах строительных котлованах. Для испытаний в котлованах и горных выработках применяют стандартные диски площадью 2500 , 5000 и 10 000 см² в скважинах - площадью 600 см² На штамп передается нагрузка, на грунт - давление Р и измеряется осадка груйта ΔS , При этом объем сжимаемого грунта значителен и по глубине составляет около двух диаметров штампа, что по сравнению с другими методами наилучшим образом моделирует деформируемость грунтов в основании сооружений или в теле земляных сооружений (плотин, дамб, насыпей). Испытания грунтов штампом трудоемки, длительны и дорогостоящи, но возможность использования при проектировании сооружений наиболее достоверного прямого расчетного показателя грунтов Е₀ определяет достаточно широкое применение этого вида опытных работ в инженерно-геологических изысканиях.

Статические нагрузки на штампы передаются ступенями до стабилизации осадки штампа при каждой ступени. Для создания «давления на штамп существуют различные установки. В данном задании используется свайный гидравлический штамп конструкции ПНИИИСа.

Установка состоит, из жесткого стального штампа площадью 5000 см² упорной фермы, четырех анкерных свай, гидравлического домкрата мощностью 50 т и насосной станции с манометром для создания давления на штамп, двух прогибомеров (индикаторов) для регистрации осадок штампа в мм.

Порядок проведения опыта и обработка результатов

1.Ознакомиться со штамповой установкой, смонтированной в щурфе на опытной площадке.

2.Подготовить полевой журнал испытания грунтов статическими нагрузками на штамп, зарисовать схему установки в рабочем положении, описать исследуемые грунты и внести другие характеристики опыта в соответствии с принятой формой (прил. 1, рис.1).

3.Определить величину природного давления грунта на отметке ус-' тановки штампа по формуле Р_пр =ρ_w*H(МПа), где Н - глубина установки штампа, м ρ_w, - плотность влажного грунта, принимаемая 1,8 т/м³.

4.Рассчитать значения удельных давлений, передаваемых на грунты, со следующими ступенями нагрузки: P₁=P_пр; P₂=0,1 МПа; Р_з=0,2 МПа; Р₄=0,3 МПа. Величина удельных давлений определяется по формуле P_j=P_н/F, где Р_н - нагрузка; передаваемая на штамп домократом, Н; F- площадь штампа, см²

Суммарное усилие, передаваемое на штамп Р_н, зависит от площади плунжера домкрата S_пл которая равна 100 см², и цены деления образцового манометра М. Соответственно нагрузка P_H=n*M*S_пл где n - количество делений по шкале манометра.

Задаваясь величиной ступени нагрузки P₁, P₂,Р₃ и Р₄, обратным расчетом определить показание манометра в атмосферах, соответствующее каждой ступени. При расчете нагрузки Р_н при каждой ступени следует упитывать усилие, создаваемое собственной массой всей установки,равное 200 кг. В расчетах 1 МПа = 10 кгс/см²=1 т/м².

5. Взять начальные отсчеты по двум прогибомерам, установленным иа противоположных сторонах штампа (S₁;S₂) для исключения перекосов, зафиксировав тем самым начало отсчета.

6. Передать на штамп первую ступень нагрузки P₁=P_np и замерить осадку штампа за время нагружения ( S_м ) по показаниям прогибомеров. Шести замеренные и рассчитанные значения осадок в полевой журнал.

7. Выдержать первую ступень нагрузки в течение 10 мин, поддерживая ее величина с помощью домкрата.

Через каждые 1-2 мин снимать показания прогибомеров и заносить их в полевой журнал. Рассчитать осадку штампа за время полной стабилизаций осадки штампа при какой ступени (.S_с) и общую осадку штампа от первой ступени нагрузки (S_ст =S_м+S_с ).

8. Аналогичном образом провести нагружения штампа следующими тремя ступенями нагрузок, измеряя соответственно значения. S_H, S и рассчитывая величины осадок за каждую ступень нагруткения ( S_ст ) и суммарную осадку штампа от переданных ступеней нагружения ( S_полн).

9. В процессе опыта построить графики S = f (t) по всем ступеням нагружения и S=f(P) в заданном масштабе.

10. Провести полную разгрузку штампа, через 5 мин зафиксировать подъем штампа по показаниям прогибомеров. По результатам измерений построить на графике S=f(Р) ветвь разгрузки и определить величину упругой части деформации грунта (S_ynp ). Найти отношение остаточной деформации (S_ост ) к полной деформации S_полн.

11. Высчитать величину модуля обшей деформации грунта (Е0) по результатам проведенного испытания.

Для этого выделить на графике S=f(P) расчетный интервал давлений ΔP. Через соответствующие точки графика (см.рис.1) провести осредшгацую прямую и определить величину приращения деформации (осадки) ΔS , отвечающую приращению удельной ступени нагрузки ΔP.

Далее рассчитать величину Е₀ по форцуле , где М коэффициент бокового расширения грунта под штампом, принимаемый равным 0,3 (коэффициент Пуассона);

W - безразмерный коэффициент, учитывающий форму штампа и соотношение жесткости материала штампа и грунта (принимается равным 0,8);

d - диаметр штампа, d= 79,8 см;

ΔP - приращение удельной нагрузки, МПа;

ΔS - приращение осадки штампа, см.

12. Установить категорию сжимаемости испытанного грунта, принимая грунты сильносжимаемыми при Е₀<5 МПа, сжимаемыми при Е₀ =5-20МПа, малосжимаемыми при Е₀=20-50 МПа и незначительно сжимаемыми при Е₀ > 50 МПа. ;

В описанном опыте применена ускоренная схема испытаний и затрачиваемое бригадой студентов время не превышает 1ч. В этом случае значения E₀ завышаются на 10-30% и более по сравнению с испытаниями в производственных условиях, так как продолжительность производственного опыта значительно больше. Она зависит от вида грунтов и составляет около 1 сут в скальных и крупнообломочных, 2 сут в песчаных и 3-5 сут в глинистых грунтах. Для некоторых студенческих бригад от руководителя практики могут быть получены индивидуальные задания по обработке результатов длительных испытаний в производственных условиях, приведенных в табл.1 и 2 (пример обработки см. в прил.2).

Задание 10. ИЗУЧЕНИЕ УСТАНОВКИ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЙ УБП-15М И ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФИЗИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

Цель и результаты работы

Цель работы - ознакомление с назначением, принципом работы и основными узлами буровой ценетрационной установки УБП-15М, с особенностями оценки свойств песчаных грунтов по результатам динамического зондирования.

Отчетные материалы по работе:

1. Принципиальная схема и краткая техническая характеристика станка УБП-15М.

2. Графический и табличный материал результатов обработки данных испытания грунтов динамическим зондированием в соответствии с принятой формой.

Основные положения метода

Динамическое зондирование является полевым методом непрерывного изучения свойств грунтов вдоль вертикальной оси зондировочной скважины. Метод заключается в определении сопротивления грунтов внедрению зонда, состоящего из конического наконечника ц штанги под действием динамической нагрузки. Разница в сопротивлении грунтов объясняется отличием их состава, состояния и свойств. Метод применим для глинистых, песчано-глинистых, песчаных и песчано-гравийных отложений.

Методом динамического зондирования решаются следующие задачи:

- расчленение разреза песчано-глинистых грунтов на слои и линзы;

- ориентировочная оценка физико-механических свойств грунтов (для промышленно-гражданских сооружений III-IV класса капитальности

физико-механические характеристики могут являться расчетными , для сооружений I,II класса получаемые показатели уточняются лабораторными и полевыми опытными работами);

- выбор мест расположения опытных площадок и отбора образцов грунтов для уточнения их физико-механических свойств путем лабораторных исследований, штамповых и др, опытов в поле.

Сопротивление, оказываемое грунтом внедрению в него зонда, называется условным динамическим сопротивлением зондированию. Количественно оно оценивается условным динамическим сопротивлением грунтов Рд (МПа) в соответствии с ГОСТ 19912-81 и определяется по формуле

Рд =к.а.ф.n/h, где K - коэффициент, учитывающий потери энергии при ударе (табл.3); А - показатель удельной кинетической энергии, Н/см (кгс/см); Ф - коэффициент для учета потерь энергии на трение штанг о грунт (табл.3);

n - число ударов в серии (залоге);

h - глубина погружения зонда на залог, см.

Метод динамического зондирования широко используется при инженерно-геологических изысканий под жилищное и промышленное строительство, строительство дорог, возведение ЛЭП, газо- и нефтепроводов и т.д. Из-за простоты конструкций зондировочных установок, их небольшой массы, удобства в обслуживании (бригада из двух человек) этот метод широко применяется как в СССР, так и за рубежом.

Динамическое зондирование значительно сокращает стоимость изысканий и срок проведения полевых работ, так как зондировочные испытания выполняются гораздо быстрее и стоимость их значительно ниже буровых и горнопроходческих работ, лабораторных исследований и других опытных испытаний грунтов. Так, геологический разрез глубиной 15-20 м получается в 2-3 раза быстрее, чем с помощью данных бурения, а его стоимость в 3-4 раза дешевле.

Техническая характеристика установки УБП-15 М

Установка буровая пенетрационная УБП-15 М является основным стандартным устройством, принятым в СССР для ударно-канатного бурения и динамического зондирования. Она состоит из следующих основных узлов:

1) транспортного устройства, представляющего собой раму, смонтированную

на одноосном шасси автомобильного прицепа. На ней размещаются двигатель, блок управления, редуктор с механической лебедкой и ручная лабедка для подъема и опускания мачты;

2) погружающего устройства, включающего складную мачту, молот и двигатель с механической лебедкой.

Для динамического зондирования до глубины 20 м применяется конический стальной наконечник диаметром 74 мм с углом при вершине 60°, который крепится на нижнем конце ударной штанги. Забивка зонда осуществляется стандартным молотом (60 кг). сбрасываемым с высоты 0,8 м.

Для ударно-канатного бурения (до глубины 15 м) только в песчано- глинистых грунтах применяются забивные стаканы для бурения скважин кольцевым забоем в глинистых и песчаных грунтах, долота для разрушения валунов, желонки для чистки скважин и бурения в водонасыщенных грунтах, ударные патроны для забивки буровых наконечников обсадные трубы для крепления стенок скважины.

Порядок проведения и обработки результатов испытания грунтов УБП-15 М

1. Описать основные принципы динамического зондирования, области его применения и решаемые задачи. Зарисовать установку, указать основные технические характеристики и узлы УБП-15 М.

2. Построить на миллиметровой бумаге график динамического зондирования песков по индивидуальным заданиям согласно табл.5 (прил.З, средние значения Р_д=6,7; 3,2; 9,0 и 15,9 МПа) или по экспериментальным данным зондирования на площадке, полученным бригадой студентов с участием учебного мастера.

Рекомендуется следующий масштаб:

для сопротивления зондированию Р_д - 10 МПа, соответствующего 20мм на оси абсцисс;

для глубины зондирования Н - 1м, соответствующей 10 мм на оси ординат.

3. На графике выделить характерные интервалы изменения Рд с глубиной зондирования и вычислить средние значения Рд дня этих интервалов

4. Предварительно оценить состояние и физико-механические свойства грунтов по осреднениям значениям Р_д с помощью справочных табл.6, 7 и оформить результаты испытания (прил.3).

Задание 11. ИЗУЧЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИР0ВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ РУЧНОГО ЗОНДА

Цель и результаты работы

Цель работы - ознакомление с назначением, принципом работы и с устройством легкого забивного зонда ЛЗЗ; с особенностями оценки однородности свойств песчаных грунтов по глубине и в плане по результатам динамического зондирования.

Отчетные материалы работы:

1. Схема забивного зонда и его характеристика.

2. Полевой журнал зондирования.

3. Графики обработки результатов испытания грунтов в точках

зондирования.

4. Зондировочный разрез и карты-срезы плотности грунтов.

Основные положения метода

Сущность метода динамического зондирования изложена в задании № 10.

Зондирование легким забивным зондом выполняется по тому же принципу, что и зондирование УБП-15 М. Принцип зондирования описан в задании 10. Ручной зонд отличается от зонда УБП преимущественно размерами, Конус ЛЗЗ. геометрически подобен конусу большой установки. Сохранено и соотношение диаметра зонда и штанги; диаметр зонда 18 мм, штанги - 10 мм. Длина штанги в зависимости от модификации зонда ЛЗЗ-1, ЛЗЗ-2, ЛЗЗ-З - от 0,7 м до 1 м. Груз массой 2,5 кг. высота сбрасывания груза 20 см. Это. обеспечивает уменьшение энергии удара пропорционально уменьшению диаметра конуса. ЛЗЗ создан для контроля плотности укладки намывных и насыпных искусственных песчаных грунтов в процессе их укладки, т.е. при подготовке искусственных оснований, возведении дамб, плотин и др. земляных сооружений. Контроль, выполненный послойно по мере укладки или намыва грунта,позволяет оперативно и дешево охарактеризовать плотность грунтов, являющуюся одним из главных показателей качества строительства. Последовательное послойное зондирование позволяет оценить искусственный грунтовый массив на всю мощность. Недостаток зонда - малая длина, что исключает его применение при изысканиях естественных оснований сооружений.

Как говорилось в задании 10, сейчас, согласно ГОСТ 19921-81, в качестве показателя динамического зондирования используется условное динамическое сопротивление Рд (МПа). При работе с ЛЗЗ рекомендуется применять более простой показатель динамического зондирования N (уд/дм), представляющий собой число молота, необходимое для погружения зонда на 10 см

N=10n/h

где n - число ударов в залоге, т.е. условно принятое число ударов, после которого производится замер осадки зонда; h - глубина погружения зонда от залога, см.

При необходимости перехода от N к Р_д (МПа) следует воспользоваться номограммой перехода (рис.2) , а при отсутствии экспериментальных значений на номограмме применить понижающий коэффициент 2,3.

Порядок проведения и обработки результатов испытания песков

1.Зарисовать ЛЗЗ-З, указать название узлов» параметры зонда, область применения и решаемые задачи;

2. Разбить и закрепить на местности точки зондирования по 3-4 профилям с шагом 2-3 м.

3. Зафиксировав в журнале место проведения испытания, произвести зондирование с записью его результатов (прил.4). При зондировании выполнять следующие правила;

- зонд забивать строго вертикально;

- вынимать зонд из грунта без раскачки усилием, направленным строго вверх и приложенным только к наковальне;

- перед очередным зондированием каждый раз затягивать резьбовые соединения конуса со штангой, штанги с наковальней, наковальни о направляющей молота и ручкой;

- глубину погружения фиксировать по штанге относительно пластинки или линейки, положенной на поверхность грунта.

4.Построить графики динамического зондирования по точкам на миллиметровой бумаге (прил.3) в следующем масштабе:

по вертикали — 1 см на графике соответствует 10 см глубины зондирования;

по горизонтали - 2 МПа соответствуют 1 см на графике.

5.Выделить характерные интервалы Рд. По табл.7 определить для каждого интервала категорию относительной плотности песков.

6.Построить зондировочные профили с выделением слоев с различной относительной плотностью грунтов.

7.Построить карты-срезы относительной плотности песков для двух — трех глубин для площади, покрытой зондировочными профилями.

6. При наличии тарировочных графиков для исследованного бригадой типа грунтов на экспериментальных графиках зондирования ввести дополнительный столбец со значениями сухого грунта (г/см³). В этом случае карты-срезы и зондировочные разрезы строятся в изолиниях плотности через 0,1 г/см³.

Задание 12. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ

Цель и результаты работы

Цель работы - знакомство с методом отбора монолитов песчаных грунтов и определение плотности и влажности грунтов.

Отчетные материалы:

1. Зарисовка пробоотборника с указанием его размеров и составных > частей. Назначение и области применения.

2.Журнал опытов.

3.Расчет плотности грунта, плотности сухого грунта, влажности, пористости, коэффициента пористости и степени влажности.

Основные положения метода

Показатели плотности, влажности и пористости входят в число основных физических характеристик грунтов, определяющих их состав и текстурные особенности. Плотность служит главнейшей характеристикой способа расположения частиц в грунте, а влажность характеризует содержание воды в грунте, оказывающей влияние на ряд его механических; свойств. Наряду с плотностью и влажностью в число важных характеристик физических свойств грунтов входит гранулометрический (зерновой) состав.

Плотность грунта ρ - отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к объему, занимаемому грунтом. Для определения плотности необходимо иметь образец грунта с естественной влажностью и ненарушенным строением. Плотность грунта является прямым расчетным показателем, при оценке давления пород на подпорные стенки, устойчивости откосов земляных сооружений и оползневых склонов, определении допустимого давления в основании сооружений.

Плотность сухого грунта ρ_d равна отношению массы образца грунта, высушенного при 100-105°C, к его первоначальному объему (до начала высушивания). Она является основным показателем, по которому судят о качестве укладки грунта в земляные сооружения и является качественной характеристикой сжимаемости и прочности естественных грунтов. Плотность частиц грунта - отношение массы сухого грунта к объему его частиц. Очевидно, что перечисленные показатели плотности связаны соотношением ρ_s>ρ>ρ_d

Влажность грунта W называют отношение массы воды, содержащейся в грунте в природных условиях, к массе грунта, высушенного при температуре 100-105°С до постоянного веса. Естественная влажность определяется почти при всех видах инженерно-геологических исследований и является важнейшим показателем состава и физического состояния грунтов.

Для установления плотности грунта возникает необходимость в отборе монолитов (образцов ненарушенного сложения), которые в песчаных и глинистых грунтах вырезаются методом режущего цилиндра либо другим способом. Несмотря на высокую стоимость и трудоемкость этот метод широко применяется при изысканиях и возведении промышленно-гражданских сооружений. Он является методом прямого определения плотности грунта.

Пористость грунта n - это отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры. Пористость вычисляется по формуле

n=1-ρ_d/ρ_s

Коэффициент пористости - отношение объема пор к объему частиц грунта: e=n/(1-n)

Степень влажности наполнение пор водой. При полном водонасыщении , Sr=I

Конструкция пробоотборника

Рассматривается комплект прибора системы Гидропроекта- для отбора песков ненарушенного сложения. Он состоит из следующих частей: режущего цилиндра, верхней насадки, опорного направляющего кольца и поршня с рукояткой для задавливания.

Цилиндр представляет собой открытый с обеих сторон отрезок металлической трубы, у которого одна кромка заострена. Объем цилиндра составляет не менее 150-200 см3 для связных грунтов, 250-400 см3 для пылеватых и мелких песков и 500-900 см3 для среднезернистых и крупнозернистых песков.

Для определения плотности и влажности грунта надо иметь:

-пробоотборник ;

-стальную линейку или нож с длинным лезвием; - совок или лопатку;

-полиэтиленовые мешочки;

-бюксы для определения влажности;

-ровную металлическую пластинку размером, превышающим диаметр цилиндра.

Порядок выполнения задания

1. Описать назначение, сущность и область применения метода.

Измерить параметры режущего цилиндра, вычислить его объем. Нарисовать пробоотборник с указанием его составных частей.

2.Отобрать монолит песчаного грунта по следующей схеме. На расчищенную поверхность грунта установить опорное направляющее кольцо, в которое вставить режущий цилиндр острым краем вниз. На него сверху надеть насадку с поршнем. Задавить цилиндр в грунт до соприкосновения поршня с направляющим кольцом. Снять поршень и удалить направляющее кольцо. Снова надеть поршень на цилиндр и задавить его до соприкосновения поршня с грунтом. С помощью лопаты или совка ревущий цилиндр извлечь и осторожно перевернуть на рукоятку поршня. Лишний грунт по кромке кольца счистить ножом или металлической линейкой. После чего цилиндр накрыть металлической пластиной и перевернуть вместе с поршнем . Теперь образец грунта лежит металлической пластине. Снять верхнюю насадку, лишний грунт удалить с другой стороны образца. Содержащийся в цилиндре грунт представляет собой нужный нам образец. Объем его равен объему цилиндра. Грунт поместить в мешочек, вес которого известен. Написать этикетку о месте и времени отбора образца, опустить в мешочек и завязать его. Образец готов к доставке в лабораторию для расчета плотности и определения влажности грунта.

3.Определить влажность образца грунта по схеме. Найти вес пустого бюкса. Положив в бюкс грунт из мешочка, определить вес бюкса с грунтом. Поставить бюкс с грунтом в сушильный шкаф (крышка бюкса открыта) и сушить при t=100-105°C. По истечении некоторого времени извлечь бюкс и поместить его в эксикатор (крышку на бюксе закрыть) для охлаждения. Взвесить охлаждённый бюкс с грунтом и снова поместить его в сушильный шкаф. После высушивания еще раз повторить операцию охлаждения и взвешивания, а затем рассчитать влажность. При совпадении результатов 1 и 2 высушивания опыт заканчивают, в противном случае повторяют до установления постоянного значения влажности.

4.Рассчитать плотность грунта, плотность сухого грунта, влажность грунта и другие характеристики по указанным выше формулам.

Результаты всех операций пэ определению влажности грунта и плотности заносятся в журнал, форма которого приведена в табл.8.