Максимальная молекулярная влагоемкость песчаных и глинистых грунтов

Максимальная молекулярная влагоемкость W_M выража­ется влажностью грунта, содержащего наибольшее количество молекулярно-связанной воды.

Необходимые приборы:

· сито с отверстиями 0,5 мм;

· ступка с резиновым пестиком;

· металлический шаблон толщиной 2 мм с отверстием 4 - 5 см;

· металлические диски или пластины;

· па­кеты фильтровальной бумаги (20 листков бумаги в пакете);

· ры­чажное устройство от компрессионного прибора;

· нож с прямым лезвием.

Проведение опыта. Пробу воздушно-сухого грунта растирают резиновым пестиком и пропускают ее через сито с отверстиями 0,5 мм. 50 - 70 г грунта замешивают с водой до получения грун­товой пасты с консистенцией, соответствующей началу теку­чести.

Затем на кусочек батиста (можно на листок фильтроваль­ной бумаги), помещенного на металлический диск, укладывают металлический шаблон с отверстием.

Отверстие шаблона с помощью ножа заполняют грунтовой пастой заподлицо с поверхностью шаблона.

Шаблон снимают, на полученный образец грунта кладут вто­рой кусочек батиста, после чего образец грунта вместе с кусоч­ками батиста помещают между двумя пакетами фильтровальной бумаги и устанавливают под пресс компрессионного прибора.

Давление на образец доводят до 10 кг/см². Груз на подвеске определяют с учетом площади образца и кратности рычага.

Время нахождения образца под давлением для песков и су­песей равно 10, а для суглинков и глин - 30 мин.

После разгрузки образец освобождают от бумаги и, разло­мав его, помещают в бюксу для определения влажности, т. е. максимальной молекулярной влагоемкости.

Проводят два параллельных опыта с последующим вычисле­нием среднего арифметического значения влажности.

Влажность определяется по методике, описанной выше, и вы­ражается ,в целых процентах. В зависимости от величины мак­симальной молекулярной влагоемкости W_M грунты можно классифицировать так: пески - менее 7; супеси - от 7 до 15; суглинки - от 15 до 30 и глины - более 30%.

Максимальная молекулярная влагоемкость в глинистом грун­те соответствует влажности на пределе раскатывания.

Коэффициент фильтрации

Коэффициент фильтрации К_ф является одной из важней­ших характеристик свойств грунта. Он характеризует водо­проницаемость грунтов. Коэффициент фильтрации входит в рас­четные формулы для определения притока воды к различным водозаборным сооружениям, а также в формулы по расчету деформаций оснований во времени.

Коэффициент фильтрации ра­вен расходу воды при фильтрации ее в грунте, отнесенного к единице площади в единицу времени при напорном градиенте, равным единице.

Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости см/сек, м/сут и т. д.

Наиболее точно коэффициент фильтрации можно определить путем проведения опытных откачек в полевых условиях. В лабо­раторных условиях коэффициент фильтрации определяется с помощью различных приборов.

Для ориентировочных, предварительных оценок водопро­ницаемости песков коэффициент фильтрации может определять­ся по эмпирическим формулам, исходя из гранулометрического состава.

Определение коэффициента фильтрации по эмпирической формуле Хазена

Формула Хазена применима для определения коэффи­циента фильтрации песков с действующим диаметром d₁₀ = 0,1 - 3,0 мм и коэффициентом неоднородности

Определение гранулометрического состава и 'построение суммар­ной кривой (см. рис. 3.1) производится по методике, описанной выше.

Коэффициент фильтрации при температуре воды t°C опре­деляют по формуле

где: С - эмпирический коэффициент, принимаемый равным от 400 до 1200 в зависимости от крупности частиц, их однородности и примесей глинистых частиц; для чи­стых и однородных песков С = 1200 - 800, для загряз­ненных и неоднородных песков – С = 800 - 400;

d₁₀ - действующий диаметр в мм;

t - температурный коэффициент, определяе­мый в зависимости от температуры воды t по эмпирической формуле:

t = 0,7+ 0,03t,

где t - температура воды в град С;

Коэффициент фильтрации может быть определен с помощью номограмм по формуле Хазена (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Номограмма для определения коэффициента фильтрации к формуле Хазена

Для грунта, гранулометрический состав которого приведен в табл. 3.1, получаем 0,1< d₁₀ = 0,13 < 3,0 и

При t = 18°С t = 0,7+ 0,03t = 0,7 + 0,03×18 = 1,24, значит,

К_ф = 800 • 0,13² • 1,24= 16,8 м/сут.

По номограмме (см. рис. 7.1) для этих же данных находим К_Ф при t = 0°С:

К_ф = 9,5 м/сут.

Для t = 18°С

К_ф = 9,5/0,7× 1,24=16,8 м/сут.

Определение коэффициента фильтрации в универсальной трубке КФ

Универсальная трубка предназначена для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов нарушенной, а также ненарушенной структуры.

Необходимые приборы:

· универсальная трубка КФ (рис. 7.2);

· секундомер;

· металлический или стеклянный поддон;

· легкая деревянная трамбовка;

· термометр для измерения температуры воды.

Рис. 10. Схематический разрез универсальной трубки КФ:

1 – внешний стакан; 2 – внутренний стакан; 3 – крышка; 4 – мерный цилиндр; 5 – сетка; 6 – грунтовая трубка; 7 – грунт; 8 – поддон.

Проведение опыта.Грунтовую трубку 6 заполняют песчаным грун­том 7. При испытании грунта нарушенной структуры грунт по­дают в трубку небольшими порциями и слегка уплотняют лег­кой деревянной трамбовкой. Если грунт - мелкий или пылеватый песок, то на дно трубки засыпают тонкий слой (3 мм) песка фракции 0,5 - 0,25 мм для предотвращения выноса при фильтра­ции мелких частиц.

В случае испытания грунта ненарушенной структуры трубку вдавливают в грунт и затем извлекают ее вместе с находящимся в ней грунтом. Избыток грунта, высту­пающий из трубки, срезают ножом с прямым лезвием.

Внутренний стакан 2 устанавливают на показателе напор­ного градиента 1,0, а внешний стакан 1 заполняют водой.

Трубку с грунтом помещают во внутренний стакан и, медлен­но вращая его, устанавливают в положение с напорным гради­ентом 0,8.

После появления капиллярной воды на поверхности грунта укладывают сетку 5 и на трубку надевают крышку 3. Внутренний стакан с трубкой перемещают в крайнее нижнее поло­жение.

Затем мерный цилиндр 4 заполняют водой, температуру ко­торой предварительно замеряют, и устанавливают в крышке трубки.

Внутренний стакан с трубкой устанавливают в положение с напорным градиентом 0,6 и доливают воду во внешний стакан до появления ее в прорезях внешнего стакана. Вода из мер­ного цилиндра автоматически поддерживает заданный напор­ный градиент.

О работе мерного цилиндра свидетельствуют пузырьки воз­духа, прорывающиеся в цилиндр.

Объем профильтровавшейся воды (10 - 30 см³)замеряют с помощью мерного цилиндра.

Время фильтрации определяют по секундомеру два раза при различных положениях уровня воды в мерном цилиндре и при­нимают среднее значение. Затем опыт повторяют при других значениях напорного градиента (0,8 и 1,0).

Коэффициент фильтрации при заданной температуре опре­деляют по формуле

где: Q - объем профильтровавшейся воды в см³,

F - площадь поперечного сечения трубки, равная 25 см²;

T - время фильтрации в сек;

I - напорный градиент;

864 - коэффициент для перевода размерности см/сек в м/сут. Коэффициент фильтрации при t = 10°С определяют по формуле

где К_ф - коэффициент фильтрации при заданной температуре;

t - температурный коэффициент.

Температурный коэффициентt определяется по формуле t = 0,7 + 0,03 t.

Результаты опыта заносят в таблицу 7.1.

Таблица 7.1

Форма записи данных для определения коэффициента фильтрации

№ монолита или пробы	№ опыта	Напорный градиент I	Объём отфильтрованной воды Q, см3	Время фильтрации Т, сек	Коэффициент фильтрации Кф, м/сут	Среднее значение Кф, м/сут
		среднее
		0,6					7,04	7,077
	0,8					7,10
	1,0					7,06

Примечание: площадь кольца прибора F = 25 cм², температура воды t = 18 ⁰C, температурный коэффициент t = 1,24.

8. Компрессионные испытания грунтов

Компрессионные испытания проводятся для изучения сжи­маемости главным образом глинистых грунтов ненарушенной структуры при естественной влажности или предварительно увлажненных до полного насыщения.

Испытания глинистых грунтов нарушенной структуры, а также песков проводятся только при специальных исследова­ниях.

Сжимаемость грунтов характеризуется изменением коэффи­циента пористости при изменении давления в условиях трехос­ного сжатия без возможности бокового расширения. Испытание грунта завершается построением компрессионной кривой и определением таких важнейших характеристик деформативных свойств грунтов, как коэффициент сжимаемости а, модуль об­щей деформации E₀, aтакже модуль осадки е_р.

Указанные характеристики широко используются для расчета дефор­маций оснований и для общей качественной оценки свойств грунтов.

Для испытаний применяют компрес­сионные приборы (одометры) типа КП, К-1 и др., а также прибор системы И. М. Литвинова. Испытания проводятся по нормальным и ускоренным методикам.

Рассмотрим испытания по ускоренной методике на приборе КП_Р1, который выпускается Угличским экспериментальным ремонтно-механическим заводом объединения «Гидропроект».

Необходимые приборы:

· компрессионный прибор типа КП_р1 (рис. 8.1);

· индикатор ИЧ-10;

· тарировочная металлическая болванка;

· нож с прямым лезвием; технические весы с разновесом;

· сушильный шкаф;

· бюксы алюминиевые;

· эксикатор;

· фильтровальная бумага;

· часы.

Рис. 8.1. Прибор компрессионный настольный КП_р1

I – стол; II – одометр; III – секторы в сборе;

1 – винт опорный; 2 – подвеска; 3 – траверса подвески; 4 – трос грузовой; 5 – сектор;

6 – палец; 7 –трос тяговый; 8 – винт натяжной; 9 – нижнее коромысло; 10 – маховичек; 11 – стяжка; 12 – шарик; 13 – верхнее коромысло; 14 – упор; 15 – рычаг; 17 – противовес.

Устройство и принцип работы компрессионного прибора.Прибор состоит их следующих основных узлов: стола I, одометра II, секторов в сборе III.

Корпус одометра разъёмный (рис. 8.2), он состоит из днища 1, верхней части 4 перфорированного диска – дна 2. Днище и верхняя часть корпуса одометра свинчиваются между собой.

Зажимное кольцо 3 помещается на перфорированный диск и прижимается стяжным кольцом 4.

Перфорированное дно имеет кольцевые и радиальные канавки для подвода воды к основанию пробы грунта при его замачивании. Замачивание грунта производится через стеклянные трубки длиной около 150 мм, соединенные с отводами жёсткими резиновыми трубками. Отводы ввернуты в днище корпуса.

Рис. 8.2.Одометр

1 – днище корпуса; дно перфорированное; 3 – кольцо зажимное; 4 – кольцо стяжное; 5 – верхняя часть корпуса; 6 – штамп; 7 – арретир; 8 – стойка под индикатор; 9 – консоль индикатора; 10 – индикатор часового типа; 11 – стопорный винт.

На образец грунта накладывается штамп 6 и сверху прижимается арретиром 7.

Нагрузка, сжимающая образец, производится грузами, укладываемыми на подвеску 2 (рис. 8.1), через сектор 5 и раму, состоящую из натяжного винта3, нижнего коромысла 9, стяжек 11, верхнего коромысла 13 и упора 14.

Минимально возможное давление на образец грунта от массы штампа и индикаторов с учётом силы от пружин ножек индикаторов составляет 0,0018 МПа. Давление от массы рамки равно 0,0036 МПа.

Для создания давления на образец грунта 0,025 МПа необходимо на подвеску поместить груз массой 1,26 кг, а для получения давления 0,05 МПА следует еще добавить груз массой 1,5 кг.

Далее нагрузка повышается ступенчато из расчёта массы груза 6 кг на каждые 0,1 МПа давления на образец.

Проведение опыта.Образец грунта высотой 20 мм и пло­щадью 40 см² ненарушенной структуры и естественной влажно­сти отбирают грунтоотборочным компрессионным кольцом, вес которого известен, из крупного монолита. Грунтоотборочное кольцо режущей кромкой ставят на поверхность монолита и по­гружают его в грунт, одновременно подрезая грунт вокруг коль­ца. После погружения кольцо с грунтом извлекают, а избыток грунта срезают ножом так, чтобы объем грунта точно соот­ветствовал объему полости кольца. Кольцо с грунтом взвеши­вают.

Определяют объемный вес g₀ , влажность W и вычисляют начальный коэффициент пористости e₀.

На перфорированный металлический диск 2 (рис. 8.2) кладут смоченный водой кружок фильтровальной бумаги, устанавли­вают на него кольцо 3 с грунтом и закрепляют его обоймой 4. Поверх грунта также кладут влажный кружок фильтровальной бумаги, а на него - перфорированный поршень 6. Всю эту систе­му помещают на днище корпуса одометра 1, которую устанавливают на стол компрессионного прибора.

Для сохранения влажности грунта в процессе испытания на поршень, а также между стенками ванны и обоймы укладывают вату, смоченную в воде. В держателе для замера деформаций образца грунта устанавливают индикатор 10 с некоторым отсчетом, например 2,0, по красной шкале, которой рекомендуется пользоваться при испытании.

Испытания проводят путем сжатия образца нагрузкой, пере­дающейся с подвески рычага на поршень прибора. Давление на грунт увеличивают ступенями. Принимают такие ступени дав­ления: 0,05; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа. При необходимости давление мо­жет быть доведено до 0,5 МПа и более. В компрессионном приборе 4 кг груза на подвеске (включая и вес подвески, равный 1 кг) сооб­щают образцу давление 0,1 МПа. Время, необходимое для сжатия грунта при каждой ступени давления, колеблется от 20 до 60 мин в зависимости от вида грунта. За это время деформация образца достигнет 85- 95% своей конечной вели­чины.

Поэтому такое время испытания вполне допустимо. Показания индикатора записывают в начале опыта, а также после стабили­зации деформации в каждой ступени. Давление, при котором индикатор фиксирует первые деформации грунта, называется эффективным. Оно равно бытовому давлению на глубине, рав­ной глубине отбора образца.

Эффективное давление определяют путем увеличения давле­ния ступенями по 0,1 кг/см² до величины 0,5 кг/см².

Так как деформация, зафиксированная индикатором, вклю­чает в себя деформацию грунта и деформацию прибора, то для определения действительной деформации грунта нужно знать деформацию прибора. Деформация прибора (в том числе и де­формация листков фильтровальной бумаги) определяется при тарировке прибора. Тарировка проводится так же, как и ком­прессионные испытания, описанные выше, 'но в этом случае вместо грунта в прибор закладывают металлическую болванку с влажными листками фильтровальной бумаги. Время, необхо­димое для стабилизации деформации, составляет 2 - 3 мин. По данным тарировки (таблица 8.1) составляют тарировочную кривую прибора (рис. 8.3). Тарировка проводится 1 - 2 раза в год.

Таблица 8.1

Деформация прибора yП, мм	Давление Р, МПа
0,051	0,05
0,093	0,1
0,133	0,2
0,159	0,3
0,182	0,4
0,197	0,6

Проведем обработку результатов испытания.

Вычитая из показаний индикатора, полученных в процессе испытания, начальный отсчет, определяют суммарную деформа­цию образца грунта и прибора для каждой ступени давления.

Деформацию образца грунта у_Р определяют для каждой сту­пени давления путем вычитания деформации прибора из сум­марной деформации.

Коэффициент пористости e_р , соответствующий деформации образца грунта для каждой ступени давления, вычисляют по формуле

где: e₀ - начальный коэффициент пористости грунта;

h₀ - начальная высота образца грунта в мм.

Рис. 8.3. Тарировочная кривая прибора

Затем строят компрессионную кривую (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Компрессионная кривая e_Р = f(P)

Коэффициент сжимаемости а вычисляют по формуле

где: e_n-1 - e_n изменение коэффициента пористости в рассматриваемом интервале давлений;

Р_п – P_n-1 - изменение давления в МПа.

Таким образом, коэффициент сжимаемости грунта равен отношению измене­ния коэффициента пористости к сжимающему давлению.

Модуль общей деформации Е₀ в тех же интервалах вычис­ляют по формуле

где: e_о - начальный коэффициент пористости грунта;

а - коэффициент сжимаемости в МПа^-1;

b - коэффициент, зависящий от коэффициента бокового давления m.

Коэффициент b в среднем принимается равным для пес­ков - 0,8; для супесей - 0,7; для суглинков - 0,5; для глин - 0,4.

Модуль общей деформации грунта выражает отношение сжи­мающего давления к относительной деформации сжатия (упру­гой и остаточной). Величины модуля общей деформации и коэффициента сжимаемости меняются для одного и того же об­разца в зависимости от его плотности.

Модуль осадки е_р определяют по формуле

Модуль осадки показывает величину деформации в мм слоя грунта толщиной в 1,0 м под давлением Р МПа.

Результаты компрессионных испытаний помещают в табли­цу (табл. 8.2).

Величина коэффициента сжимаемости позволяет давать об­щую качественную оценку грунтов основания: при а = = 0,0001 МПа^-1 - грунт малосжимаемый; при а = 0,001 МПа - средней сжимаемости; при а = 0,01 МПа - чрезмерно сжимае­мый. В последнем случае грунт, как правило, непригоден для использования в качестве естественного основания.

Давление Р, МПа	Показание индикатора	Суммарная деформация yc, мм	Деформация прибора yП, мм	Деформация образца yР, мм	Коэффициент пористости eР	Коэффициент сжимаемости а, МПа-1	Модуль общей деформации Е0, МПа	Модуль осадки eP, мм/м
	2,00	-	-	-	0,750	-	-	-
0,03	2,00	-	-	-	0,750	-	-
0,05	2,147	0,147	0,051	0,096	0,742	0,048	18,3	4,8
0,1	2,459	0,459	0,093	0,366	0,718	0,030	29,2	18,3
0,2	2,845	0,845	0,133	0,712	0,688	0,025	35,0	35,6
0,3	3,149	1,149	0,159	0,990	0,663			49,5

Примечание: 1. Физические характеристики грунта следующие: W_T = = 36%; W_Р = 24%; W_П =12; g_у =2,7 г/см³; g₀ =1,81 г/см³ ; W = 17,2%; e_о = 0,75; G = 0,62.

2. Начальный отсчет по индикатору 2,0; h₀ =20 мм.