close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

516.Алексеев В.М. Физико-механические свойства грунтов и лабораторные методы их определения

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
В.М.АЛЕКСЕЕВ, П.И.КАЛУГИН
Физико-механические свойства грунтов
и лабораторные методы их определения
Учебно-методическое пособие
Рекомендовано в качестве учебного пособия
редакционно-издательским советом Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета для студентов,
обучающихся по направлению 270100 «Строительство»
Воронеж −2009
1
УДК 624.15
ББК 38.654.1
А471
Алексеев, В.М.
А471 Физико-механические свойства грунтов
и лабораторные методы их определения: учеб.-метод. пособие / В.М. Алексеев, П.И. Калугин; Воронеж. гос. арх.-строит.
ун-т. - Воронеж, 2009. – 89 с.
ISBN 978-5-89040-219-8
Излагаются современные достижения науки в области изучения физико-механических свойств грунтов. Приводятся методики определения их характеристик в лабораторных условиях, описаны необходимое оборудование
и приборы, даны рекомендации по обработке лабораторных испытаний. Пр иведены способы отбора образцов грунта.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 270100
«Строительство».
Ил. 15. Табл. 31. Библиограф. 31 назв.
УДК 624.15
ББК 38.654.1
Рецензенты: кафедра конструкций зданий и сооружений Тамбовского
государственного технического университета;
Л.В. Свиридов, доцент, председатель совета директоров
ЗАО « ЦЧРагропромпроект»
ISBN 978-5-89040-219-8
© Алексеев В.М. Калугин П.И., 2009
© Воронежский государственный архитектурностроительный университет, 2009
2
Оглавление
Предисловие ……………………………………………………………………….
Введение…………………………………………………………………………….
1. Основные сведения о грунтах ………………………………………………..
1.1.Состав и строение грунтов………………………………………………..
1.2. Характеристики физического состояния грунтов………………………
1.3. Строительная классификация грунтов…………………………………..
2. Способы отбора образцов грунтов для исследований
их физико–механических характеристик…………………………………
2.1. Общие положения………………………………………………………...
2.2. Приборы и методика отбора монолитов грунтов……………………….
3. Методы лабораторных исследований физических характеристик
грунтов ………………………………………………………………………...
3.1. Общие положения………………………………………………………...
3.2. Определение влажности грунта методом высушивания……………….
3.3. Определение влажности грунта на границе текучести…………………
3.4. Определение влажности грунта на границе пластичности
(раскатывания)……………………………………………………………
3.5. Определение плотности грунта методом режущего кольца…………...
3.6. Определение плотности грунта методом парафиниров ания…………...
3.7. Определение плотности частиц грунта пикнометрическим методом…
3.8. Определение гранулометрического (зернового) состава грунта
ситовым методом………………………………………………………...
4. Определение деформационных характеристик грунтов
методом компрессионных испытаний ……………………………………...
4.1. Общие положения………………………………………………………...
4.2. Деформационные характеристики грунтов……………………………..
4.3. Методика компрессионных испытаний грунтов………………………..
4.4. Обработка результатов испытаний………………………………………
5. Определение прочностных характеристик грунтов
методом сдвига (среза) ………………………………………………………..
5.1. Прочностные характеристики грунтов…………………………………..
5.2. Методика проведения консолидированно-дренированного испытания
грунта на сдвиг (срез)……………………………………………………
5.3. Методика неконсолидированно-недренированного испытания
грунта……………………………………………………………………….
5.4. Обработка результатов испытаний………………………………………
5.5. Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов.
Заключение ………………………………………………………………………..
Библиографический список рекомендуемой литературы…………………..
Приложение 1. Нормативные значения прочностных и деформационных
характеристик грунтов…………………………………………...
Приложение 2. Расчетные сопротивления грунтов оснований…………………
Приложение 3. Гранулометрическая классификация грунтов………………….
Приложение 4. Основные буквенные обозначения……………………………...
Приложение 5.Таблица соотношений между некоторыми единицами
физических величин в системах МКГСС и СИ………………...
3
4
5
7
7
8
12
23
23
25
29
29
31
32
34
35
36
38
41
44
44
45
53
58
61
61
68
70
71
72
76
77
79
81
83
84
87
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основная задача механики грунтов – оценка состояния физикомеханических свойств грунтов в данный момент и прогноз их дальнейшего
поведения. Грунты - горные породы, используемые в строительстве в качестве основания сооружений, среды для размещения ней сооружений, материала самого сооружения. В настоящее время невозможно проектирование и
строительство сооружений без исследований свойств грунтов.
Ошибки, которые допускают в определении характеристик физикомеханических свойств грунтов, а также прогнозе их дальнейшего поведения
в результате строительства и эксплуатации сооружений, являются основными причинами, приводящими к нарушению нормальной эксплуатации сооружений и даже к авариям. Качественная оценка физико-механических
свойств грунтов позволяет максимально использовать несущую способность
грунтов, достаточно точно учитывать деформации грунтового основания, что
обеспечивает принятие наиболее безопасных и экономичных решений в фундаментостроении. В связи с этим возросла потребность в методических пособиях и руководствах по методике и технике исследования физикомеханических свойств грунтов. Прочность и деформируемость грунтов непосредственно зависят от их физических свойств и состояния. Так, увеличение
пористости грунта влечет за собой снижение его прочности и повышение деформативности.
Поэтому нормы допускают определять нормативные и расчетные значения механических характеристик грунтов по их физическим характеристикам, что обязывает вычислять последние с высокой точностью.
Многие ранее выпущенные руководства по исследованию свойств грунтов стали библиографической редкостью. Кроме того, современные достижения науки о грунтах требуют пересмотра ряда прежних представлений о свойствах грунтов и методах их исследования. Изданы новые ГОСТы, СНиПы,
своды правил по проектированию и устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений. Все эти обстоятельства побудили авторов к написанию
настоящего пособия.
В предлагаемом учебном пособии излагаются краткие теоретические
сведенья о грунтах, приводятся способы отбора образцов грунтов для их испытаний, данные о приборах и установках, дается детальное описание методики лабораторных исследований их физико-механических свойств в строительных целях.
В приложениях к пособию помещены нормативные и справочные материалы, необходимые при исследовании физико-механических характеристик грунтов.
Предназначено для студентов, изучающих курс «Механика грунтов» и
обучающихся по направлению 270100 «Строительство».
4
ВВЕДЕНИЕ
Основания зданий и сооружений сложены грунтами. Грунтами называют горные породы, используемые в строительстве. Грунты обладают во
много раз меньшей прочностью, а главное, в тысячи раз большей деформируемостью, чем строительные материалы, из которых возводятся сооружения. Поэтому надежное существование этих сооружений в значительной степени зависит от строительных, и прежде всего, физико-механических свойств
грунтов. В настоящее время основными методами оценки свойств грунтов
являются лабораторные и полевые исследования, которые дают возможность
классифицировать грунты как основания сооружений с целью правильного
использования рекомендаций СНиП и оценить прочностные и деформативные свойства грунтов, необходимые для расчетов оснований и фундаментов.
Исследования состава и физико-механических свойств грунтов лабораторными методами имеют наибольшее развитие по сравнению с полевыми
методами, так как являются более дешевыми, быстрыми и могут проводиться
в массовом количестве практически для всех видов грунтов. В лаборатории
можно, применяя соответствующие приборы, широко варьировать методику
испытаний для наиболее полного воспроизведения условий работы грунтов в
натуре. Необходимый объем лабораторных исследований зависит от стадии
изысканий, конструктивных особенностей сооружения, инженерногеологических условий строительной площадки.
Наиболее сложными являются исследования механических свойств
грунтов, так как их результаты весьма существенно зависят от характера и
состояния грунтов, принятой методики, применяемых приборов и т.д. При
изучении физико-механических свойств грунтов лабораторными методами
важно правильно выбирать места отбора образцов грунта, обеспечивать их
правильный отбор, обоснованно намечать объем исследований. Необходимо
уметь правильно обрабатывать и обобщать результаты лабораторных исследований, верно выбирать расчетные характеристики свойств грунтов.
Следует, однако, помнить о недостатках лабораторных методов. Главный из них – работа со сравнительно небольшими образцами не всегда достоверно отражающими свойства грунтов в массиве. Кроме того, несмотря на
постоянное усовершенствование методов отбора образцов-монолитов и конструкций грунтоносов, все еще не удается избежать некоторого нарушения
естественной структуры грунта, его плотности и влажности, особенно при
отборе образцов ниже уровня подземных вод.
В последние годы наряду с продолжающимся совершенствованием
техники отбора и методики испытаний образцов-монолитов в лабораториях
усиленно разрабатываются методы исследования грунтов в их естественном
залегании. Эти исследования называются полевыми.
Полевые исследования проводятся непосредственно на площадке строительства. Они позволяют установить свойства сравнительно больших объе-
5
мов грунта в условиях естественного залегания и при сохранении напр яженного состояния, которое часто бывает неизвестно и не может быть воспр оизведено в лабораторных условиях. Полевые методы позволяют исследовать
свойства таких грунтов, образцы которых невозможно отобрать с ненарушенной структурой для испытаний в лаборатории (рыхлые пески, глинистые грунты текучей и текучепластичной консистенции). К недостаткам полевых испытаний грунтов следует отнести:
их относительную сложность и трудоемкость;
наличие погрешностей, часто значительных, в определении характеристик вследствие несоответствия условий испытаний тем предпосылкам, которые лежат в основе используемых расчетных зависимостей;
невозможность в ряде случаев раздельного определения некоторых характеристик и необходимость выполнения большого числа испытаний, достаточных для статистического анализа и др.
Опыт показывает, что наиболее целесообразно проводить комплексные
исследования физико-механических свойств грунтов, включающие классические лабораторные и полевые методы. В настоящем пособии авторы не касались полевых методов определения физико-механических характеристик
грунтов. Это позволяет наиболее полно и достоверно определять свойства
грунтов и обеспечить достоверную оценку инженерно-геологических условий
строительной площадки.
Нужно всегда помнить, что внедрение в грунт различных устройств может настолько нарушить его первоначальное состояние, что результаты полевых испытаний будут не только не лучше лабораторных, но значительно уступать последним.
Важные результаты испытаний можно во многих случаях получить и на
простом оборудовании, так как они в большой степени зависят от правильной
методики испытаний. При этом даже на превосходном оборудовании, но при
дефектной методике будут получаться совершенно непригодные результаты.
Принципы, на которых основана существующая практика лабораторных
и полевых исследований грунтов, в основном соответствуют расчетным моделям, выдвинутым классической механикой грунтов.
При выборе метода определения характеристик грунтов необходимо исходить из того, что нет плохих методов – есть лишь необоснованное или неправильное их применение. Аппаратура и методика лабораторных и полевых
исследований не могут быть однообразными и должны соответствовать характерным особенностям состава и структуры грунта, отличающим его от всех
остальных. Последовательное совершенствование конструкций приборов и
техники экспериментальных исследований является необходимым условием
дальнейшего расширения наших представлений о поведении и свойствах
грунтов, что будет способствовать внедрению в практику более совершенных
моделей грунтовой среды, повышению достоверности расчетов оснований и
фундаментов.
6
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ
1.1. Состав и строение грунтов
В строительстве горные породы, залегающие преимущественно в зоне
выветривания земной коры, называются грунтами. Грунты используются в
строительстве в качестве материала оснований зданий и сооружений; среды,
в которой возводятся сооружения и материала самих сооружений.
Грунты характеризуются составом, структурой и текстурой. Под составом подразумевается перечень минералов, составляющих породу. Структура
– это размер, форма и количественное соотношение слагающих грунт частиц.
Текстура – пространственное расположение элементов грунта, определяющее
его строение. Состав и строение грунтов связаны с условиями их происхо ждения.
Все грунты разделяются на естественные - магматические, осадочные,
метаморфические и техногенные - уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные. Горные породы магматического, метаморфического происхождения и сцементированные осадочные породы о бладают жесткими связями между частицами и относятся к классу скальных
грунтов.
Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и
относятся к классу нескальных или дисперсных грунтов.
По своему происхождению и условиям формирования нескальные
грунты разделяют на следующие:
1) континентальные отложения: элювиальные (залегающие в месте
первоначального их возникновения); делювиальные (располагающиеся на
склонах возвышенности, где они возникли); аллювиальные (переносимые
водными потоками на значительные расстояния); ледниковые (в результате
действия ледников); водно–ледниковые (пески и галечники); озерно–
ледниковые (ленточные глины, суглинки и супеси); эоловые (продукты физического выветривания, переносимые воздушными течениями);
2) морские отложения: толщи дисперсных глин, органоминеральные
образования.
Состав нескальных грунтов во многом определяет их физикомеханические свойства. В общем случае грунт состоит из трех фаз: твердой,
жидкой и газообразной. Эти компоненты находятся в постоянном взаимодействии. Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минер алов с
различными свойствами. Жидкая составляющая грунтов – вода: кристаллизационная, связанная и свободная. Сложное и разнообразное взаимодействие
твердых частиц грунта с водой сильно влияет на свойство грунта.
Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Содержание в грунте защемленного (находящегося в контактах между частицами и пленками воды) и растворенного в воде газа существенно сказыва-
7
ется на свойствах грунта. Таким образом, свойства грунтов зависят от состава, состояния и взаимодействия слагающих его компонентов.
Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называются
структурными связями. Из-за высокой прочности самих частиц именно связи
между частицами определяют прочность и деформируемость грунтов.
Скальным грунтам присущи жесткие структурные связи кристаллизационного или цементационного типа. Поэтому они обладают высокой прочностью и
малой деформируемостью.
Нескальные (дисперсные) грунты состоят из отдельных минеральных
частиц разного размера, слабосвязанных друг с другом. Нескальные грунты
по характеру структурных связей разделяются на связные и несвязные (сыпучие).
К связным относятся глинистые грунты (супеси, суглинки, глины); к
сыпучим – крупнообломочные и песчаные грунты.
Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей и зацепления
между неровностями этих поверхностей. Такой механизм связи между частицами сыпучих грунтов называют внутренним трением грунта.
Структурные связи в глинистых грунтах имеют более сложную природу и определяются электромолекулярными силами взаимного притяжения и
отталкивания между частицами. Такие связи называются водноколлоидными. Они и обусловливают связность глинистых грунтов. Про чность этих связей сравнительно невелика, но они восстановляются через некоторое время после их разрушения. Цементационные связи в связных грунтах хрупки и при разрушении не восстанавливаются.
Оценка каждой конкретной разновидности грунта как физического тела
производится с помощью физических характеристик. Количественные значения одних характеристик всегда определяются из лабораторных опытов, чаще всего с образцами грунта (их называют основными), других (произво дных) – расчетом по значениям определенных в опытах показателей.
Соответствие полученных таким образом характеристик состоянию
грунта является одним из важнейших условий точности инженерных прогнозов поведения грунтов под нагрузками.
1.2. Характеристики физического состояния грунтов
Основными физическими характеристиками грунта являются:
- плотность грунта - ρ;
- плотность частиц грунта - ρS;
- природная влажность - W;
- влажность на границе пластичности (раскатывания) - Wp;
8
- влажность на границе текучести – WL ;
Плотность грунта (г/см3, т/м3) – отношение массы грунта к его объему:
ρ = m / V = (m1+m2+m3) / (V1+V2+V3),
(1.1)
где m – масса грунта; V – объем трехкомпонентного грунта;
m1, V1, m2, V2, m3, V3 – соответственно масса и объем твердой, жидкой и газообразной фаз грунта;
Тогда V= V1+V2+V3; m = m1+m2+m3 = m1+m2 ,так как масса газообразной составляющей ничтожно мала и не оказывает влияние на результаты
определений.
Сумма V2+V3 соответствует полному объему пор в грунте, частично
занятому водой и частично газом.
Плотность частиц грунта (г/см3, т/м3) – отношение массы твердых частиц грунта к их объему:
ρS = m1 / V1;
(1.2)
Плотность частиц зависит только от их минерального состава. Для нескальных грунтов ρS = 2,6 - 2,8 г/см3.
Влажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц
(в долях единицы, иногда в процентах):
W= m2 / m1= (m-m1) / m1;
(1.3)
Влажность большинства рыхлых грунтов лежит в пределах 0,01 – 0,4.
Влажность на границе пластичности (раскатывания) связного
грунта Wρ соответствует влажности грунтового теста, которое при раскатывании его в шнур толщиной порядка 3 мм начинает распадаться на отдельные
кусочки.
Влажность на границе текучести связного грунта WL соответствует
такому состоянию влажности грунтового теста, когда стандартный конус погружается в него на глубину 10 мм.
К производным (вычисляемым) физическим характеристикам грунта
относятся:
плотность сухого грунта ρd – отношение массы сухого грунта
(частиц грунта) к объему всего грунта:
ρd = m1 / V =ρ / 1+W;
9
(1.4)
При расчетах нагрузок на сооружение, напряжений от действия со бственного веса грунта нужно переходить к значениям удельного веса грунта
(кН/м3):
удельный вес
γ =  g,;
(1.5)
где g = 9.81 м/с 2– ускорение свободного падения.
Для нескальных грунтов он составляет 18 - 22 кН/м3.
Удельный вес частиц грунта и сухого грунта получается соответственно из выражений
γs = gρs;
(1.6)
γd = gρd.
(1.7)
Ниже уровня подземных вод частицы грунта испытывают взвешивающее действие воды.
Удельный вес грунта во взвешенном состоянии:
γsb= (γs –γw) / (1+e),
(1.8)
где γw – удельный вес воды; е – коэффициент пористости грунта.
Пористость грунта – отношение объема пор ко всему объему грунта,
что соответствует объему пор в единице объема грунта:
n = (ρs – ρd) / ρs= 1 – ρd / ρs.
(1.9)
Коэффициент пористости грунта равен отношению объема пор к объему твердых частиц:
e = n / m = (ρs – ρd) / ρd = ρs (1+W) / (ρ–1).
(1.10)
Коэффициент пористости грунта является одной из важнейших характеристик и непосредственно используется в расчетах. Для песчаных грунтов
он характеризует плотность их сложения и используется как классификационный показатель.
Полная влагоемкость грунта – влажность, соответствующая полному
водонасыщению грунта, т.е. когда все поры заполнены водой:
Wsat = e ρw /· ρs= eγw /γs ,
10
(1.11)
где ρw и γw – соответственно плотность и удельный вес воды.
Коэффициент водонасыщения – степень заполнения объема пор водой, определяется как отношение объема воды в порах грунта к объему пор:
Sr = W / Wsat = Wρs /( eρw).
(1.12)
Коэффициент водонасыщения используется как классификационный
показатель несвязных грунтов.
Гранулометрический (зерновой) состав грунта является одной из важнейших его характеристик.
Количественное соотношение частиц различной крупности, выраженное в процентах от общего веса сухого грунта, называется гранулометрическим составом грунта. Для определения гранулометрического состава (A),
грунт разделяют на фракции, включающие частицы определенных размеров.
A = (mi / m0) 100%,
(1.13)
где mi – масса фракции; m0 – масса исследуемого грунта.
Степень неоднородности гранулометрического состава песчаного грунта характеризуется коэффициентом неоднородности, который определяется
по формуле:
Cu = d60 / d10,
(1.14)
где d60 и d10 – диаметры (размеры) частиц, меньше которых в данном
грунте содержится (по массе) соответственно 60 % и 10 % частиц. Чем
меньше степень неоднородности, тем более однородным по гранулометрич ескому составу является грунт.
Коэффициент неоднородности не может быть меньше единицы. При
Cu ≥ 3 грунт называют неоднородным. Чем меньше коэффициент неоднородности, тем однороднее грунт.
Свойства глинистых грунтов существенно зависят от их влажности.
Особенно изменяются механические характеристики грунтов.
Различают три состояния (консистенции) глинистых грунтов: твердое,
пластичное и текучее. Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности, называемые влажностью на границе пластичности (раскатывания) Wp и влажностью на границе текучести WL. Эти влажности определяются опытным путем.
Для глинистых грунтов первостепенное значение имеет диапазон
влажности, в котором грунт будет находиться в пластичном состоянии.
11
Этот диапазон характеризуется числом пластичности Jp – разностью
между влажностью на границе текучести и влажностью на границе пластичности:
J p = WL - Wp .
(1.15)
Число пластичности определяется в основном минеральным составом
тонкодисперсной (глинистой) фракции.
Состояние грунта по консистенции характеризуется показателем текучести JL. Под консистенцией понимается густота и степень подвижности
частиц грунта под механическим воздействием при разной влажности:
JL= (W – Wp) / (WL – Wp).
(1.16)
По числу пластичности определяются типы глинистого грунта: супесь,
суглинок, глина.
По показателю текучести определяется состояние глинистого грунта:
твердое, пластичное, текучее.
1.3. Строительная классификация грунтов
Классификация грунтов необходима для объективного присвоения
грунту одного и того же наименования и установления его состояния.
Наименование и состояние грунта устанавливаются по его классификационным показателям.
Классификационные показатели применяются для отнесения грунтов к
той или иной категории, чтобы предусмотреть в самых общих чертах поведение грунтов при возведении на них сооружений, а в отдельных случаях и
установить возможность применения в расчетах тех или иных теоретических
решений механики грунтов.
К классификационным показателям грунтов относятся гранулометрический состав (зерновой и минералогический, влажность) и характеристики
физического состояния (плотность – для песчаных и консистенция – для глинистых). Эти показатели позволяют косвенным путем определять приближенно некоторые расчетные характеристики механических свойств грунтов,
используя нормативные данные (СНиП).
По гранулометрическому составу крупнообломочным и песчаным
грунтам в зависимости от крупности частиц присваивается то или иное
наименование.
Для глинистых грунтов первостепенное значение имеет не общий зерновой состав, а содержание мелких и мельчайших частиц, размером менее
12
0,005 мм (пылеватых и глинистых) и, главное, диапазон влажности, в котором грунт будет находиться в пластичном состоянии.
Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100-95 « Грунты.
Классификация» [9].
В нем установлены классификационные группы, разделяющие грунты
на различные иерархические уровни (классы, группы, подгруппы, типы, виды, разновидности).
Классы выделяются по общему характеру структурных связей. В каждом классе по характеру связей выделяются группы грунтов (скальные, полускальные, связные, сыпучие). По происхождению и условиям образования
грунты делятся на подгруппы; по вещественному составу – на типы; по
напластованию (с учетом размеров частиц и показателей свойств) – на виды;
по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры
– на разновидности.
Так, дисперсные (нескальные) грунты по своему типу разделяются на
минеральные (связные по виду – глинистые, несвязные – пески, крупнообломочные грунты), органоминеральные (связные – илы, сапропели и др.), органические (связные – торфа и др.). Дальнейшее разделение на разновидности происходит по зерновому составу, числу пластичности, показателю текучести и т.д.
Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу,
виду, разновидности происходит с помощью физических характеристик
грунтов. Обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду
или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его
механических (строительных) свойств.
Классификация крупнообломочных грунтов. Наименование типа
крупнообломочных грунтов устанавливается по относительному содержанию
частиц той или иной крупности в общей массе частиц. В зависимости от степени влажности различают три разновидности этих грунтов: маловлажные,
влажные, насыщенные.
Классификация песчаных грунтов. Наименование песка устанавливается по его гранулометрическому составу (размеру частиц); плотность
сложения – по коэффициенту пористости; степень влажности – по коэффициенту водонасыщения; степень неоднородности – по коэффициенту неоднородности. Наименование точно может быть установлено только по лабор аторным исследованиям.
Классификация глинистых грунтов. Глинистые грунты классифицируются по числу пластичности Јр , которое коррелятивно связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц, и по показателю текучести Јl,
характеризующему состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно
зависящему от естественной влажности. При изменении показателя текучести в пределе от нуля до единицы грунты находятся в пластичном состоянии.
Иногда к характеристике глинистого грунта добавляют значения коэффици-
13
ента пористости, относительной просадочности и относительного набухания.
Если в массе глинистого грунта содержится 15 – 25 % крупнообломочных
частиц к наименованию грунта добавляется наименование этих частиц: (суглинок со щебнем). При содержании таких частиц от 25 до 50 % название
грунта меняется на суглинок щебенистый.
Правильное наименование видов грунтов и всех характеристик их состояния имеет важное значение для решения таких вопросов, как выбор типа
фундамента, методов улучшения свойств грунта, способов производства работ по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений [12, 3, 4,
6, 9].
Ниже приводится упрощенная классификация важнейших видов грунтов.
Скальные грунты. К скальным относятся грунты, состоящие из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные
связи кристаллизационного или цементационного типа.
Скальные грунты подразделяются на спаянные и сцементированные в
зависимости от природы связи между кристаллами. В спаянных скальных
грунтах эта связь осуществляется непосредственно между взаимно проро сшими зернами минералов. В сцементированных частицы породы соединяются посредством твердого минерального вещества - естественного цемента,
образование которого является вторичным по отношению к образованию с амих частиц.
По происхождению скальные грунты подразделяют на изверженные
(гранит, сиенит, диорит, базальт и т.п.), осадочные (песчаник, известняк, д оломит, гипс, ангидрит и др.) и метаморфические (кварцит, мрамор, глинистые сланцы и др.), залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя [9, 21, 25, 28, 29, 31].
Для скальных грунтов типичны высокая прочность связей между минеральными зернами или их агрегатами, твердое состояние, сплошность, малая
деформируемость под строительными нагрузками.
Практически эти грунты можно считать монофазными системами. с остоящими из одной твердой фазы.
Грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих
жесткие структурные связи цементационного типа, называется полускальным. Сцементированные скальные грунты, как правило, слабее спаянных,
их прочность зависит от вида цемента и типа цементации. Очень прочным
будет кремнистый, менее прочным – глинистый цемент. Цементация будет
слабой, если цемент связывает частицы, лишь в местах их контакта. Особое
внимание обращают на способность скальных грунтов размягчаться в воде. К
размягчаемым относят скальные грунты, у которых отношение пределов
прочности при сжатии в водонасыщенном и воздушносухом состояниях менее 0.75. Основные разновидности скальных грунтов приведены в табл.1.1.
14
Основные разновидности скальных грунтов
Грунты
А. По пределу прочности на одноосное сжатие
в водонасыщенном состоянии R, МПа
Скальные:
- очень прочные
- прочные
- средней прочности
- малопрочные
Полускальные:
- пониженной прочности
- низкой прочности
Б. По коэффициенту размягчаемости в воде ksof,:
- неразмягчаемые
- размягчаемые
В. По степени засоленности полускальных грунтов, %:
- незасоленные
- засоленные
Г. По степени растворимости в воде для осадочных
сцементированных грунтов, г/л:
- нерастворимые
- труднорастворимые
- среднерастворимые
- легкорастворимые
Таблица 1.1
Показатели
>120
120 - 50
50 - 15
15 - 5
5-3
<3
≥ 0,75
 0,75
менее 2
2 и более
менее 0.01
0,01 - 1
1 - 10
более 10
Крупнообломочные грунты. Крупнообломочными называют несвязные минеральные грунты, в которых масса обломков горных пород размером
крупнее 2 мм составляет более 50 %. К ним относят валунные (глыбовые),
галечниковые (щебенистые), гравийные (дресвяные) грунты (табл.1.2).
Таблица 1.2
Классификация крупнообломочных грунтов
по гранулометрическому составу
Разновидность грунтов
Содержание
частиц, % по массе
>200
>50
>10
>50
>2
>50
Валунный (при преобладании
неокатанных частиц - глыбовый)
Галечниковый (при преобладании
неокатанных частиц - щебенистый)
Гравийный (при преобладании
неокатанных частиц - дресвяный)
Размер частиц,
d, мм
15
Крупнообломочные грунты характеризуются хорошей водопроницаемостью, отсутствием или очень малой капиллярностью, их применяют в основном в качестве дренирующего материала или заполнителей в бетоне.
Крупнообломочные грунты, если они хорошо уложены и по условиям
залегания не вызывают сомнений в их устойчивости на скольжение, являются надежными основаниями для многих сооружений. Их также применяют в
качестве дренирующего материала в подстилающих слоях. Однако такие
крупнообломочные грунты, как каменные осыпи, не пригодны для использования их в качестве оснований вследствие неустойчивости их на склонах.
Кроме того, они крайне неоднородны по крупности и слабо уплотнены. Эти
отложения бывают часто загрязнены глинистыми примесями. Прочность таких грунтов существенно уменьшается. Если крупнообломочные грунты з алегают равномерным слоем, хорошо уплотнены и не содержат примесей, они
являются хорошим основанием для сооружений.
Песчаные грунты. Пески представляют собой отложения несвязных
минеральных частиц, масса которых размером от 2 до 0,5мм составляет более
50 %. Пески состоят преимущественно из зерен кварца, но в них могут находиться также частицы полевого шпата, слюды, роговой обманки и других
минералов, которые ранее входили в состав разрушившихся горных пород.
Большинство мелкозернистых песков относится к кварцевым. По своим
свойствам пески приближаются к сыпучим телам.
В составе песчаных грунтов всегда содержится некоторое количество
пылеватых частиц крупностью от 0,05 до 0,005 мм. Пылеватые частицы по
своему минералогическому составу близки к песчаным и являются лишь более мелкой фракцией продуктов механического разрушения тех же материнских пород.
Иногда в песках содержатся и более мелкие частицы, их размер в поперечнике составляет менее 0,005 мм, называются они глинистыми. Однако содержание этих частиц небольшое и не превышает 3 % общего состава грунта
по массе. В песках нередко содержатся примеси различных окислов железа,
которые придают им красноватую или бурую окраску.
Основные разновидности песчаных грунтов приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Классификация песчаных грунтов
по гранулометрическому составу
Разновидность песков
Размер частиц,
d, мм
>2
>0,50
>0,25
>0,10
>0.10
Гравелистый
Крупный
Средней крупности
Мелкий
Пылеватый
16
Содержание частиц, % по массе
>25
>50
>50
 75
<75
По плотности сложения песчаные грунты классифицируются следующим образом (табл.1.4).
Таблица 1.4
Классификация песчаных грунтов по плотности
Плотность сложения
Пески
плотные
средней
рыхлые
плотности
По коэффициенту пористости e
Гравелистые, крупные и средней
крупности
<0,55
0,55 – 0,70
>0,70
Мелкие
<0,60
0,60 – 0,75
>0,75
Пылеватые
<0,60
0,60 – 0,80
>0,80
По сопротивлению погружения конуса qc, МПа,
при статическом зондировании
Гравелистые, крупные и средней
крупности
>15
5 – 15
<3
Мелкие
>12
4 – 12
<4
Пылеватые:
маловлажные и влажные
>10
3 – 10
<3
водонасыщенные
>7
2–7
<2
По коэффициенту водонасыщения Sr крупнообломочные и песчаные
грунты различают:
1. Малой степени водонасыщения
0 – 0,50;
2. Средней степени водонасыщения
0,50 – 0,80;
3. Насыщенные водой
0,80 – 1,00.
По условиям образования пески разделяют на морские, с тонкозернистым составом фракций; аллювиальные, с отсортированным составом своих
отложений; ледниковые, представляющие собой грубый неотсортированный
разнозернистый материал, и эолового происхождения - мелкие и тонкозернистые хорошо отсортированные пески. Пески, оставшиеся на месте первичных
разрушений материнской горной породы, образуют отложения овражных
песков. Этот вид песков характеризуется разнообразным составом частиц,
имеющих неправильную форму и остроугольные края.
Пески обладают подвижностью. Особенно легкой подвижностью отличаются водонасыщенные тонкозернистые иловатые и слюдистые пески. Такие пески называют плывунами. Плывунами могут быть слюды пылеватые,
морские, эоловые и аллювиальные пески. Плывуны, вследствие наличия в
них коллоидов, при высыхании приобретают связность, а при взбалтывании в
воде образуют суспензии. Они легко разжижаются при динамической
нагрузке, что связано с проявлением тиксотропных свойств грунта. Поэтому
17
плывуны могут быть основанием для сооружений лишь в том случае, если
возможность нарушения их структуры исключена.
В мелкозернистых песках может возникать подвижность в результате
влияния фильтрационных токов воды. Их разжижение не связано с проявлением тиксотропных свойств грунта. Такие пески называют ложными плывунами. Они легче поддаются осушению, и их подвижность прекращается.
Глинистые грунты. К глинистым относят связные минеральные грунты, обладающие пластичностью. В глинистых грунтах, кроме зерен первичных минералов, содержатся в большом количестве глинистые частицы, которые имеют обычно пластинчатую и реже игольчатую форму и характеризуются весьма малыми поперечными размерами (менее 0,005 мм). Глинистые
частицы представляют собой в основном вторичные минералы, образовавшиеся в результате выветривания первичных минералов. Для глинистых
грунтов характерным является набухание при увлажнении и затвердевание
при высыхании.
Глинистые грунты в зависимости от числа пластичности IP подразделяются на глины (IP > 17), суглинки (7 – 17), супеси (1 – 7).
Состояние по консистенции этих грунтов определяют по показателю
текучести IL, который характеризует степень пластичности глинистых грунтов (табл.1.5).
Таблица 1.5
Разновидности глинистых грунтов по величине показателя текучести IL
Разновидность глинистых грунтов
твердые
Супеси
пластичные
текучие
твердые
полутвердые
Суглинки и
тугопластичные
глины
мягкопластичные
текучепластичные
текучие
Показатель текучести IL
<0
0-1
>1
<0
0 – 0,25
0,25 – 0,50
0,50 – 0,75
0,75 – 1,00
>1,00
Глины различного геологического возраста имеют разную плотность и
отличаются прочностью межчастичных связей. Глины более древнего возраста прочнее пород, образовавшихся в более поздние периоды. Однако возможны случаи, когда породы одинакового геологического возраста оказываются различными по своим свойствам, если условия их образования были
неодинаковыми. Бывают также случаи, когда нижерасположенные и более
ранние по возрасту глинистые грунты оказываются вследствие быстрого образования структурных связей менее уплотненными, чем залегающие в верхних слоях.
18
Среди глинистых грунтов наиболее прочными являются валунные глины и суглинки, которые образовались в результате переработки и отложения
обломочного материала разрушенных горных пород ледниками. Эти отложения получили название морен.
К озерно-ледниковым отложениям относятся ленточные глины. В отличие от моренных отложений ленточные глины недостаточно уплотнены и
под нагрузкой от сооружений могут давать большие и неравномерные осадки. Такие глины относят к слабым грунтам. В условиях насыщения водой обнаруживается их склонность к текучести.
Лессовые грунты (лессы). Среди глинистых грунтов выделяются лессовые грунты (лессы, лессовидные суглинки), обладающие специфическими
и неблагоприятными свойствами . В лессах преобладают пылеватые частицы
(0,05 - 0,005 мм), количество которых может достигать 60 – 70 % по массе.
Песчаные частицы крупнее 0,25 мм в них отсутствуют.
Лесс представляет собой малосвязную однородную тонкозернистую
неслоистую и весьма пористую породу палево-желтоватого цвета, состоящую преимущественно из мельчайших частиц кварца, полевого шпата, слюды и примесей глинистых частиц, гидратов окиси железа и других минер алов.[6, 7, 24, 25, 28], пронизанную тонкими вертикальными круглыми каналами, оставленными отмершими корнями растений.
Лессы эолового происхождения богаты (до 10 - 25 % и более) известью,
гипсом. Известь в лессах встречается не только в виде цементирующих пленок, которые легко растворяются в воде, но и в виде округлых включений,
называемых журавчиками.
В лессах много видимых глазом пор или макропор. Их количество достигает 1/3 и более общего объема пор. Эти грунты характеризуются большим содержанием относительно крупных вертикальных пор (канальцев). По
этим каналам вода проникает в глубь толщи грунта. Увлажнение лесов приводит к растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, знач ительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения – просадками. Поэтому лессовые грунты называют просадочными.
Лессовидные суглинки сходны по свойствам с лессами, но они грубее
на ощупь и содержат большее количество песчаных и глинистых частиц. Они
менее пористы и меньше размокают. Просадочные свойства в них проявляются слабее, а в некоторых случаях вовсе отсутствуют.
Условиями, определяющими просадочные деформации этих грунтов
при водонасыщении, являются малая водостойкость структурных связей
между частицами грунта, высокая пористость, наличие уплотняющего
напряжения, под действием которого разрушается существующая структура
грунта.[1, 6, 7, 14, 24, 28, 31]. Механизм возникновения и развития просадочных деформаций в лессовидных грунтах связан с процессом разрушения цементационных связей между отдельными его частицами.
19
Просадочные деформации рассматриваются как процесс перехода лессовидных грунтов из недоуплотненного состояния в состояние нормальной
плотности под влиянием инфильтрационного движения влаги [24].
Кроме лессов и лессовидных суглинков, просадочными свойствами при
замачивании обладают и некоторые виды других глинистых грунтов.
Основными характеристиками просадочных свойств грунтов являются
относительная деформация просадочности εsl , начальное просадочное давление Psl и начальная просадочная влажность Wsl.
При предварительной оценке к просадочным обычно относят лессы и
лессовидные грунты с коэффициентом водонасыщения Sr < 0,8, для которых
величина показателя П, определяемого по формуле (1.17), меньше значений,
приведенных в табл.1.6
П = (eL–e) / (1+e),
(1.17)
где eL – коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе
текучести WL и определяемый по формуле
eL = WL γs / γw;
(1.18)
Таблица 1.6
Число пластичности 0.01 ≤ Iр < 0.10
грунта
Показатель П
0.10
0.01 ≤ Iр < 0.14
0.14 ≤ Iр < 0.22
0.17
0.24
Показатель П, определяемый по формуле (1.17), используется только
для предварительного отнесения грунтов к просадочным.
Деформации просадки учитываются при величине относительной просадочности εsl ≥ 0,01.
Илы. Относятся к начальной стадии формирования глинистых осадочных образований. Илы представляют собой водонасыщенные современные
осадки водоемов, содержащие органическое вещество в виде растительных
остатков и гумуса. В илах преобладают глинистая и пылевая фракции.
Они имеют влажность больше влажности на границе текучести (W
≥WL), коэффициент пористости e ≥ 0,9, текучую консистенцию (JL >1). Органические образования в илах составляют более 10 % массы [9, 21, 31]. Содержание частиц меньше 0,01мм составляет 30 – 50 %.
По числу пластичности и коэффициенту пористости илы подразделяются на супесчаные (e ≥ 0,8), суглинистые(e ≥ 1) и глинистые (e ≥ 1,5).
20
В естественных условиях илы находятся в текучем состоянии, при высушивании затвердевают Органическое вещество, содержащееся в илах, придают ему серую окраску и специфический запах. Илы залегают на дне водоемов или под торфом. Их толщина достигает 10 м и более.
Илы обладают ничтожным сопротивлением давлению. Они непригодны для использования в качестве естественного основания, а также непригодны для применения свайных фундаментов.
Гуминовые кислоты, содержащиеся в илах, вредно влияют на бетон сооружений и фундаментов. Илы обладают тиксотропными свойствами и могут
легко разжижаться.
При строительстве на илистых грунтах применяют песчаные подушки
и вертикальные дрены, которые облегчают отвод воды из толщи основания
при его сжатии.
Набухающие грунты. К набухающим относятся глинистые грунты с
большим содержанием гидрофильных глинистых минералов и малой влажностью в природном состоянии. Набухающие грунты отличаются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой (уменьшением объема)
при высыхании [25].
Набухающие грунты характеризуются относительной деформацией
набухания εsw, давлением набухания рsw, влажностью набухания Wsw и относительной усадкой при высыхании εsh.
Относительная деформация набухания определяется по формуле
εsw = (hsat – hn) / hn ,
(1.19)
где hsat – высота образца грунта после свободного набухания, обжатого без
возможности бокового расширения при полном водонасыщении;
hn – первоначальная высота образца природной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения.
В зависимости от величины εsw, определенной без нагрузки, грунты
подразделяются на следующие разновидности:
- ненабухающие
εsw <0,.04;
- слабонабухающие
0,04 ≤ εsw ≤ 0,08;
- средненабухающие
0,08 ≤ εsw ≤ 0,12;
- сильнонабухающие
εsw ≥ 0,12
За давление набухания Psw принимается давление на образец грунта,
замачиваемого и обжимаемого без возможности бокового расширения, при
котором деформации набухания равны нулю.
21
За влажность набухания Wsw принимается влажность, полученная после завершения набухания образца грунта, обжатого без возможности боковых расширений заданным давлением.
Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного трения в случае
свайных фундаментов. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку с ооружения. Некоторые грунты, не набухающие при их замачивании, приобр етают свойство набухать при увлажнении их растворами солей. Это явление
часто называют химическим набуханием.
Почвенно–растительные грунты. Грунты, богатые содержанием растительных веществ и остатков в виде перегноя, обладающие плодородием,
называются почвами. Примерами таких грунтов являются многие виды с овременных почв и почвенные слои, погребенные в толще континентальных
отложений. Почвы залегают на поверхности земли, толщина их незначительна. Они обычно проходятся при отрывке котлованов под фундаменты.
Почвы в толще основания обычно не являются препятствием к возведению сооружений. Они хорошо уплотнены, а содержание органических веществ в них мало. Их толщина незначительна. Почвы не могут служить основанием для возведения сооружений.
Насыпные и намывные грунты. Эти грунты созданы искусственно в
результате инженерной деятельности человека. Такие грунты получили распространение в городах и в районах промышленных производств. Они состоят из насыпей и отвалов естественных грунтов, полученных при отрывке
котлованов, проходке шахт, различных планировочных работах, отходов
производства и свалок.
Для насыпных грунтов характерно большое разнообразие их состава и
уплотненности. Они делятся на слежавшиеся - процесс уплотнения которых
закончился, и неслежавшиеся, уплотнение которых продолжается.
Считают, что самоуплотнение насыпей от собственного веса завершается для песчаных грунтов в течение 2 лет, а для глинистых - через 5-7 лет.
Для ускорения процесса их уплотнения производится уплотнение трамбовками [3, 25, 28].
По однородности сложения насыпные грунты подразделяют на планомерно возведенные насыпи, отвалы грунтов и отходы производств, свалки
грунтов и бытовых отходов.
Хорошо уплотненные, планомерно возведенные насыпи из песчаных и
глинистых грунтов толщиной 2-3 м, могут служить хорошим основанием.
Насыпи, образованные в местах свалок из строительного мусора и бытовых отходов, для использования в качестве оснований обычно не пригодны.
Особое место среди насыпных грунтов занимают планомерно возводимые насыпи. Они строятся по заранее разработанному проекту из одноро дных грунтов путем их отсыпки слоями с тщательным уплотнением или со22
оружаются намывным способом. В таких насыпях достигается однородное
уплотнение грунта и обеспечивается равномерная его сжимаемость под
нагрузкой. Периоды времени, необходимые для уплотнения насыпных грунтов от собственного веса, приведены в табл. 1.7.
Таблица 1.7
Периоды времени для самоуплотнения насыпных грунтов
Насыпные грунты
Планомерно возведенные песчаных
уплотненные насыпи из
пылевато-глинистых
грунтов
песчаных грунтов
Отвалы грунтов и отхопылевато-глинистых
дов производств из
грунтов
шлаков, формовочной
земли
золы
Свалки из
песчаных грунтов,
шлаков
песчано-глинистых
Период времени, необходимый для уплотнения грунтов, годы
0,5 - 2
2-5
2-5
10 - 15
2-5
5 - 10
5 - 10
10 - 30
2. СПОСОБЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ ГРУНТОВ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
2.1. Общие положения
Оценка грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Разнообразие состава, строения и состояния грунтов
вынуждает определять значительное число таких характеристик. Колич ественные показатели одних характеристик определяются из опытов (осно вные или определяющие характеристики), других – расчетом по значениям
определенных в опытах показателей (вычисляемые или производные).
Отбор, упаковку, транспортирование и хранение образцов грунта,
предназначенного для лабораторных испытаний, производят в со ответствии
с ГОСТ 30416 – 96. [17].
Грунт, как известно, является трехфазной системой, состоящей из минеральных частиц, воды и газа. Минеральные частицы являются основой
грунта, образуя его скелет, вода и газ заполняют поры грунта - промежутки
между минеральными частицами.
23
Следовательно, грунт представляет собой сложную систему, которую
невозможно воспроизвести в лаборатории. Все это требует изучения свойств
грунтов в полевых и лабораторных условиях на образцах ненарушенной
структуры и с естественной влажностью. Отбор образцов для определения
характеристик исследуемого грунта, упаковка и транспортировка их производится так, чтобы полностью сохранить состояние грунта в естественных
условиях его залегания. Такими образцами являются монолиты грунта, взятые на месте возведения сооружения. Монолиты грунта могут отбираться в
шурфах, штольнях, шахтах, естественных обнажениях и буровых скважинах.
Для взятия образцов грунта используют грунтоносы различного типа (пустотелые цилиндры, в которые набирается грунт ненарушенной структуры) и
режущие кольца. При отборе монолитов из буровых скважин применяют
грунтоносы обуревающего, вдавливающего, забивного и вибрационного типов. Тип грунтоноса и его конструкцию выбирают в зависимости от вида
грунта.
Монолиты грунта вырезаются в виде кубов размером 100х100х100 мм
или 200х200х200 мм, а иногда и более, в зависимости от целей и задач испытаний. Их обматывают слоем марли и тщательно парафинируют. Затем покрывают вторым слоем марли и вновь парафинируют при температуре парафина 55-60°С. Толщина парафиновой изоляции должна быть не менее 2 мм.
Монолиты снабжают этикеткой, в которой указывают:
- наименование организации, проводящей изыскания;
- наименование участка (объекта);
- наименование выработки и ее номер;
- глубину отбора образца;
- верх по отношению к поверхности грунта;
- краткое описание грунта (визуальное);
- должность и фамилию лица, проводящего отбор;
- дату отбора образца.
Этикетка должна заполняться простым графитовым карандашом, исключающим возможность обесцвечивания записей.
Здесь нужно отметить, что извлечение монолитов грунта для лабор аторных испытаний всегда сопряжено с нарушениями их структуры и напряженного состояния. При врезании в грунт стакана грунтоноса повреждается
прилегающая к нему часть образца. Если монолит взят с большой глубины,
то после его извлечения на поверхность он начинает разбухать.
После непродолжительного хранения парафинированная оболочка образцов растрескивается и начинается испарение содержащейся в них влаги.
При выборе методики лабораторных испытаний грунтов следует уделять особое внимание максимальному приближению условий испытания к
условиям работы грунта в сооружении или во взаимодействии с ним. Методы
испытания грунтов ненарушенной структуры в естественных основаниях
должны отличаться от методов испытаний грунтов с нарушенной структу-
24
рой. Количество видов производимых испытаний следует ограничивать необходимым минимумом в целях получения только таких данных, которые
будут использованы при проектировании и строительстве.
Методика проведения лабораторных испытаний грунтов должна обеспечивать необходимую точность определения величин, которые входят в
расчетные формулы, с учетом влияния каждого параметра на результаты расчетов.
2.2. Приборы и методика отбора монолитов грунта
Монолиты грунта могут отбираться при помощи грунтоносов различной конструкции. Требования к ним - сохранять структуру грунта, его плотность и влажность. Грунтоносы, применяемые для отбора монолитов в о ткрытых выработках и обнажениях, представляет собой кольцо диаметром от
20 - 50 до 120 - 150 мм высотой от 20 - 30 до 200 мм, имеющие один скошенный край (рис.2.1). Для удобства отбора монолитов грунта кольцо снабжают
упорными приспособлениями (рис. 2.2).
2
1
30- 200
h=30- 200мм
3
40- 150
Рис. 2.1. Схема
металлического кольца
для отборов монолита
грунта
Рис. 2.2. Схема металлического
кольца с упорным приспособлением:
1 – режущее кольцо; 2 – упорное
приспособление для отбора монолитов грунта;
3 – воздушная камера
Форму и размеры лабораторных образцов грунта определяют в завис имости от метода испытаний, а также от свойств самого грунта (способности
сохранять форму, наличие включений и т.д.). Лабораторные образцы грунта
ненарушенного сложения должны иметь ориентацию, соответствующую
природному залеганию.
Отбор монолитов производится следующим образом: на требуемой
глубине в шурфе или на дне котлована зачищается и выравнивается поверх-
25
ность грунта и устанавливается кольцо. Вокруг него ножом вырезается постепенно столбик грунта на 1,5 мм больше внутреннего диаметра кольца, и
режущее кольцо надевают постепенно на грунтовый столбик. Лишний грунт
срезается острыми краями кольца. Когда кольцо будет заполнено грунтом и
грунтовый столбик выступит над его поверхностью, лишний грунт удаляют,
подрезая его ножом вровень с верхним и нижним краем кольца. Грунт с
кольцом взвешивают на технических весах.
Для сохранения естественной влажности грунта открытые поверхности
кольца парафинируют или плотно закрывают крышками и доставляют в лабораторию.
Отбор монолитов грунта при помощи кольца может осуществляться
прибором Литвинова (рис. 2.3).
5
4
3
1 – режущее кольцо;
2 – направляющий цилиндр;
3 – опорный диск;
4 – поршень;
5 – упорный стержень
2
1
Рис.2.3. Схема прибора И.М. Литвинова для отбора монолитов
Прибор состоит из режущего кольца 1, направляющего цилиндра 2,
опорного диска 3, полого поршня 4 и упорного стержня 5. Для отбора монолита прибор устанавливают опорным диском 3 на поверхность грунта.
Надавливают на упорный стержень 5 , режущее кольцо 1 погружается в
грунт. Затем режущее кольцо с грунтом подкапывают, подрезают ножом и
вынимают из прибора. Лишний грунт удаляют вровень с верхним и нижним
краями кольца. Прибор Литвинова позволяет погружать в грунт режущее
кольцо строго вертикально.
Грунтоносы, применяемые для отбора монолитов в буровых скважинах, известны различных конструкций[17, 22, 30]. Основной их частью является металлическое кольцо, которое при отборе монолитов вдавливается, забуривается или забивается в грунт в забое скважины. Основные типы грунтоносов приводятся в ГОСТе 12071-2000 [17].
Кроме образцов ненарушенного сложения для лабораторных исследований отбираются образцы грунта нарушенного сложения. Для их упаковки
применяют мешочки из синтетической пленки, плотной ткани или водостойкой бумаги. Для образцов, требующих сохранения природной влажности,
26
применяют пластмассовые и металлические банки с герметично закрывающимися крышками. Отбор грунта следует производить после удаления с его
поверхности засохшего или замоченного слоя.
Срок хранения упакованных образцов грунта нарушенного сложения,
для которых требуется сохранение природной влажности с момента отбора
до начала лабораторных испытаний, не должен превышать 2 суток. Сроки
хранения монолитов в помещениях, отвечающих требованиям ГОСТ [17] не
должны превышать: 1,5 месяца для скальных грунтов, песков, глинистых
грунтов твердой и полутвердой консистенции; 1 месяц для других разновидностей грунтов. При хранении монолиты не должны касаться друг друга.
Они размещаются на полках помещения в один ряд этикетками вверх. На них
запрещается размещать какие-либо предметы. При длительном хранении их
следует покрыть влажной тканью или влажными опилками.
В зависимости от целей и задач испытаний отбирают образцы грунта
нарушенной и ненарушенной структуры. Ниже приводятся указания о величине и структуре образцов для исследования физико-механических характеристик грунтов (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Размеры и масса образцов для лабораторных испытаний грунтов
Номер
нормативного
документа
Характеристика
грунта
Влажность,
в том числе
гигроскопическая
Границы
текучести
и пластичности
ГОСТ
5180
Плотность
Плотность
частиц грунта
Метод
определения
Область
применения
метода
Масса
и размер
образцов
ВысушиваВсе дисперсные грунние до поты, кроме
15-50 г
стоянной
крупнообломочных
массы
Пенетрация
конусом
и
Глинистые
300 г
раскатывагрунты
ние в жгут
Грунты, легко поддаюd k  70 мм
щиеся вырезке или не
сохраняющие форму без 70  d k  21мм
Режущее
кольца
кольцо
d k  50 мм
Глинистые
грунты
40  d k  15 мм
Взвешивание
в воде парафинированных образцов
Глинистые
грунты
Пикнометрический
Все дисперсные грунты
(кроме крупнообломоных)
27
V  50см3
100-200 г
Продолжение табл. 2.1
Номер
нормативного
документа
Характеристика
грунта
Метод
определения
ГОСТ
22733
Максимальная
плотность
Послойное
трамбование
грунта
Состав гранулометрический
ГОСТ
12536
ГОСТ
23740
ГОСТ
12248
Состав
гранулометрический и микроагрегатный
Содержание растительных
остатков
Содержание
гумуса
Деформируемость грунтов:
модуль деформации, коэффициент поперечной деформации
Коэффициент
сжимаемости;
модуль
деформации
ГОСТ
12248
ГОСТ
23161
Коэффициент
фильтрационной
и вторичной
консолидации
Структурная
прочность
Относительная
просадочность и
начальное просадочное давление
Ситовой
Область
применения
метода
Пески,
глинистые грунты, крупнообломочные
(только гравийные)
Пески крупностью зерен
от 10 до 0.5мм
Масса
и размер
образцов
Не менее
10 кг
100-2000 г
Ареометрический
Глинистые грунты
200 г
Пипеточный
Глинистые грунты
10-20 г
Пипеточный
Пески и глинистые грунты
Не менее
100г
Пески и глинистые грунты
Не менее
100г
Выделение
сухим
или
мокрым
способом
Дренированное
испытание
при
трехосном
сжатии
Все дисперсные
грунты, кроме
крупнообломочных
Компрессионное сжатие
Пески мелкие и
пылеватые; глинистые
грунты с I L  0.25 ;
органоминеральные и
органические грунты
То же
Глинистые,
органоминеральные и
органические грунты
КомпрессиГлинистые и органомионное сжатие
неральные грунты
КомпрессиГлинистые грунты и песонное сжатие ки пылеватые
по
схеме
«одной кривой»
28
Кольцо
d  58 мм
h
 2 :1  2.5 :1
d
Кольцо
d  71мм
h
 1: 3.5
d
То же
То же
То же
Окончание табл. 2.1
Номер
нормативного
документа
ГОСТ
24143
ГОСТ
12248
ГОСТ
12248
Характеристика
грунта
Относительное
набухание при
различных давлениях и давлении набухания
Относительная
усадка (по высоте, диаметру,
объему)
Относительное
суффозионное
сжатие при заданном давлении
Относительное
суффозионное
сжатие при различных давлениях
Прочность грунтов: предел
прочности на
одноосное сжатие: сопротивление недренированному сдвигу
Угол внутреннего трения,
удельное сцепление, сопротивление сдвигу
Метод
определения
Компрессионное сжатие
При свободной трехосной деформации
Компрессионное сжатие
по схеме
«одной кривой»
То же по
схеме «двух
кривых»
Одноосное
сжатие
Неконсолидированное,
недренированное испытание
при трехосном сжатии
Область
применения
метода
Глинистые и
набухающие грунты
Масса
и размер
образцов
Кольцо
d  72 мм
h
 1: 3.5
d
То же
То же
Засоленные пески, супеси и суглинки
То же
То же
То же
Полускальные и глинистые водонасыщенные
грунты
Глинистые,
органоминеральные и
органические грунты
Кольцо
d  40  100 мм
h
 1:1  2 :1
d
Кольцо
d  38 мм
h
 2 :1  2,5 :1
d
3. МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ
3.1. Общие положения
Физические характеристики грунтов позволяют судить об их свойствах, природе и возможных изменениях этих свойств при строительстве на
29
них сооружений. Они позволяют классифицировать грунты и выбирать методы для их дальнейшего исследования.
Характеристики физических свойств непосредственно связаны с механическими характеристиками грунтов.
Методов и приемов определения свойств грунтов известно много [8,
10, 22, 30].
Ниже излагаются методы, рекомендуемые межгосударственным стандартом на лабораторные испытания грунтов ГОСТ 5180 – 84 [10].
Способы определения физических свойств грунтов устанавливают в
программе испытаний в зависимости от стадии проектирования, грунтовых
условий, а также от вида проектируемых зданий и сооружений и уровня их
ответственности. Область применения методов лабораторных испытаний физических свойств грунтов приведена в табл.2.1. В этой таблице указаны также форма и размеры лабораторных образцов грунта в зависимости от их
свойств и метода испытаний.
Минимальный размер испытываемых образцов должен быть не менее
пятикратного размера максимальной фракции грунта.
За результаты испытаний принимают среднеарифметическое значение
параллельных определений, предусмотренных для соответствующего метода.
Погрешность измерений при испытаниях не должна превышать:
- 0,02 г при определении массы образца;
- 0,1 мм при измерениях геометрических размеров рабочего режущего
кольца.
При обработке результатов испытаний плотность грунта вычисляют с
точностью 0,01 г/см3, влажность до 30 % включительно вычисляют с точностью 0,1 %, 30 % и выше - 1 %.
Статистическую обработку результатов определений физических
свойств грунтов оснований производят по ГОСТ 20522 – 96 [16].
Основными показателями, характеризующими физические свойства и
естественное состояние грунтов, являются: влажность W, в том числе гигроскопическая Wг; влажность на границе текучести WL; влажность на границе
пластичности (раскатывания) Wр; плотность грунта ρ; плотность сухого
грунта ρd; плотность частиц грунта ρs; коэффициент пористости e и пористость n.
Характеристики ρ и W должны определяться по образцам грунта естественной влажности и структуры. Они определяют состояние грунта. Чем
меньше плотность грунта, тем большей пористостью он обладает. Чем выше
пористость и влажность грунта, тем хуже его строительные свойства. Такой
грунт обладает большой сжимаемостью и малой несущей способностью.
30
3.2. Определение влажности грунта методом высушивания
Влажность грунта - отношение массы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной массы, к массе высушенного грунта, равной массе твердых частиц. Ее необходимо определять по образцам грунта с естественной влажностью и ненарушенной структурой.
Гигроскопическая влажность - влажность грунта в воздушно-сухом состоянии, т.е. в состоянии равновесия с влажностью и температурой окр ужающего воздуха.
Для определения влажности грунта необходимо иметь следующее:
технические весы с разновесами; металлические или стеклянные стаканчики с крышками (бюксы); эксикатор с хлористым кальцием; сушильный
шкаф; журнал.
Подготовка к испытаниям
Пробу грунта для определения естественной влажности отбирают массой 10-15 г, помещают в заранее высушенный, взвешенный и пронумерованный стаканчик и плотно закрывают крышкой.
При определении гигроскопической влажности пробы грунта мас сой
10-20 г отбирают способом квартования из растертого, просеянного сквозь
сито с отверстиями в 1 мм и выдержанного открытым не менее 2 ч при данных температуре и влажности воздуха грунта.
Проведение испытаний
Пробу грунта в закрытом стаканчике взвешивают. Стаканчик открывают и с крышкой помещают в нагретый сушильный шкаф. Грунт высушивают до постоянной массы при температуре (105  2)°С. Песчаные грунты
высушивают в течение 3 ч, а остальные - в течение 5 ч.
Последующее высушивание песчаных грунтов производят в течение
часа, а остальных - в течение 2 часов.
Загипсованные грунты высушивают в течение 8 часов при температуре
(80  2)°С.
После каждого высушивания грунт со стаканчиком охлаждают в эксикаторе с хлористым кальцием до температуры помещения и взвешивают.
Высушивание производят до получения разности масс грунта со стаканчиком при двух последующих взвешиваниях не более 0,01г.
Обработка результатов
Влажность грунта W вычисляют по формуле
W = (m1 – m) / (m2 – m),
31
(3.1)
md
Примечания
средняя
mw
m2 m2 m2
Влажность,
W
отдельной
пробы
сухого грунта
m1
2
постоянная
с влажным
грунтом
m
1
выпаренной
воды
Масса, г
с сухим
грунтом
пустого
Номер стаканчика
Масса стаканчика, г
Дата
Лабораторный номер
где m – масса пустого стаканчика с крышкой, г;
m1 – масса влажного грунта со стаканчиком и крышкой, г;
m2 – масса высушенного грунта со стаканчиком и крышкой, г.
Цифровые данные, полученные в процессе определения влажнос ти
грунта, записывают в журнал (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Журнал
для определения влажности грунта W
Для каждого образца грунта производят два определения влажности.
Расхождения между параллельными определениями допускаются до 2 %. По
двум определениям выводят среднее значение влажности грунта с точностью
в 1 %.
3.3. Определение влажности грунта на границе текучести
Влажность на границе текучести грунта соответствует влажности пасты, приготовленной из исследуемого грунта, при которой балансирный конус
погружается под действием собственного веса за 5 секунд на глубину 10 мм.
Балансирный конус состоит из собственно конуса, высотой 25 мм с углом при вершине 30°, изготавливаемого из нержавеющей стали, и коромысла
с двумя балансирными противовесами, которые обеспечивают вертикальность погружения конуса в грунт. Полная масса балансирного конуса 76 г.
Конус имеет кольцевую риску на высоте 10 мм от вершины.
В комплект прибора входят стаканчик для грунтовой пасты и подставка (рис.3.1)
32
3
4
2
1
4
6
5
7
1 - конус;
2 – кольцевая риска;
3 – ручка;
4 – коромысло с противовесами;
5 – стаканчик для грунтовой пасты;
6 – грунтовая паста; 7 – подставка
Рис. 3.1. Схема определения влажности
грунта на границе текучести
с помощью конуса А.М. Васильева
Для определения влажности на границе текучести грунта этим методом
кроме конуса А.М.Васильева необходимо иметь то же оборудование, что и при
определении естественной влажности грунта методом высушивания (см. п.3.2).
Подготовка к испытаниям
1. Влажность на границе текучести следует определять по образцам
грунта с естественной влажностью. Если это невозможно, то используют образцы грунта нарушенной структуры в воздушно-сухом состоянии.
2. Из монолита берут навеску грунта в 30 - 40 г, ее разминают, а затем
пропускают сквозь сито с отверстиями 0,5 мм. Если грунт сухой, его
предварительно растирают в фарфоровой ступке резиновым пестиком и просеивают через сито с отверстиями 0,5 мм.
3. Грунт помещают в чашку с круглым дном диаметром 10 см, замачивают дистиллированной водой, если он имеет незначительную влажность, размешивают шпателем до образования однородной грунтовой
массы и помещают в эксикатор с водой до полного размокания грунта.
4. Подготовленную массу грунта после размокания перемешивают и
переносят в стаканчик прибора, наполняя его вровень с краями. Поверхность грунта заглаживают шпателем.
Проведение испытаний
1. На поверхность грунта в стаканчике устанавливают балансирный конус, предварительно смазав его тонким слоем вазелина, который погружается в грунт под влиянием собственного веса.
2. Если конус погружается в грунтовую массу в течение 5 секунд на
глубину менее 10 мм, это указывает на то, что ее влажность ниже
границы текучести. В этом случае в грунтовую массу добавляют пи33
петкой немного дистиллированной воды, тщательно перемешивают и
повторяют испытание. Если конус погружается на глубину более
10 мм, это указывает на избыток воды в грунтовой массе. Грунтовую
массу подсушивают на воздухе. После подсушивания испытание повторяют.
3. Погружение конуса в грунт в течение 5 секунд на глубину 10 мм показывает, что грунтовая масса имеет влажность, соответствующую
границе текучести.
4. По достижении границы текучести из пасты отбирают пробу массой
15-20 г и высушивают ее в термостате при температуре 105°С; после
чего определяют влажность пробы (см. § 3.2, табл. 3.1).
5. Для каждой пробы грунта рекомендуется производить два параллельных определения влажности на границе текучести. Расхождения между ними допускаются: для супесей не более 2 %, для суглинков не более 2.5 %, а для глин не более 3 %. По двум определениям выводят
среднее значение влажности с точностью 1 %.
3.4. Определение влажности грунта на границе пластичности
(раскатывания)
Наиболее распространенным методом определения влажности на гр анице пластичности является метод раскатывания грунта в шнур[8, 10, 22, 30].
При определении влажности на границе пластичности обычно используют грунтовую массу, оставшуюся после определения влажности на границе
текучести.
Для определения влажности грунта на границе пластичности необходимо иметь технические весы с разновесами; стаканчики с крышками (бюксы); термостат; шпатель; стекло размером 10х15 см; журнал.
Проведение испытаний
1. Грунтовую массу (40 – 50 г), приготовленную для определения влажности на границе текучести, раскатывают на стекле в шнур диаметром
в 3 мм, полученный шнур сминают в руках и вновь раскатывают. Эту
операцию продолжают до тех пор, пока не испарится лишняя вода и
грунт при раскатывании начнет крошиться на кусочки.
2. Из подготовленной пасты берут небольшой кусочек и раскатывают ладонью на стекле до образования шнура диаметром в 3 мм. Полученный
шнур сминают в руках, готовят из него шарик, который вновь раскатывают.
3. Раскатывание продолжают до тех пор, пока жгут диаметром в 3мм не
начнет распадаться на кусочки длиной в 8 – 10 мм. Такое состояние
34
грунта указывает, что влажность грунта соответствует влажности на
границе пластичности.
4. Кусочки грунта массой в 10 г собирают в заранее взвешенный и пронумерованный стаканчик и высушивают в сушильном шкафу - термостате
при температуре 105°С до постоянной массы.
Затем определяют влажность на границе пластичности по формуле (3.1)
(см. п.3.2, табл.3.1).
3.5. Определение плотности грунта методом режущего кольца
Этот метод позволяет определять плотность глин, суглинков, супесей и
песков.
Для определения плотности методом режущего кольца необходимо
иметь кольцо – пробоотборник диаметром от 20 - 50 до 100 - 150 мм высотой
до 200 мм при толщине стенок 1,5 - 2 мм; штангенциркуль; нож; весы технические с разновесами; журнал.
Проведение испытаний
1. Измеряют при помощи штангенциркуля внутренний диаметр и высоту
кольца-пробоотборника и вычисляют его объем V, см3.
Затем кольцо с внутренней стороны смазывают тонким слоем вазелина
и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01г, получают
его массу m.
2. Заостренной стороной кольцо ставят на выровненную поверхность
монолита грунта. Вокруг кольца ножом вырезают на 1 мм больше
внутреннего диаметра кольца грунтовый столбик. По мере вырезания
кольцо постепенно надевают на столбик грунта. Лишний грунт срезается острым краем кольца. После того, как столбик грунта выступит
над верхним краем кольца, его подрезают, а лишний грунт срезают
вровень с краями кольца. Загрузка грунта в кольцо простым вдавливанием его в монолит или в поверхность грунта не допускается.
3. Кольцо с грунтом взвешивают на технических весах и получают их
массу m1, г. Вычисляют массу грунта:
m 2= m1- m,
(3.2)
где m1 – масса кольца с грунтом, г;
m – масса пустого кольца, г;
4. Определяют плотность грунта ρ по формуле
 = m2 / V, г/см3,
(3.3)
где V– объем грунта в кольце или внутренний объем кольца.
5. Для каждой пробы грунта следует производить два параллельных
определения его плотности, а затем вычислять среднее значение с точностью
до 0,01. Расхождение результатов допускается до 0,01 г/см3.
35
Все результаты испытаний по определению плотности заносят в журнал (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Журнал
для определения плотности грунта методом режущего кольца
Масса
кольца, г
Номер Дата
пусс грунобразца
того,
том,
m
m1
Масса
грунта, г,
m2 = m 1– m
Объем
кольца,
V, см3
Плотность
грунта,  , г/см3
Примеотдельсред чание
ного обняя
разца
3.6. Определение плотности грунта методом парафинирования
Этот метод применяют для определения плотности связных грунтов, а
также в тех случаях, когда невозможно взять пробу режущим кольцом в
грунтах с различными включениями. Для определения плотности этим методом необходимо иметь весы технические с разновесами; парафин; сосуд для
плавления парафина; тонкую нить длиной 0,5 м; батарейный стакан; нож;
фильтровальную бумагу; журнал.
Подготовка к испытаниям
1. Вырезают образец грунта объемом не менее 30 см3 с ненарушенной
структурой и естественной влажностью; придают ему округлую форму, срезая острые выступающие части.
2. Образец обвязывают прочной тонкой нитью со свободным концом
длиной не менее 15 - 20 см, имеющим петлю для подвешивания к
серьге весов.
3. Расплавляют в сосуде парафин и нагревают до температуры 57 - 60°С.
Проведение испытаний
1. Обвязанный нитью образец грунта взвешивают на технических весах, m, г.
2. Образец грунта покрывают парафиновой оболочкой, погружая его на
2 - 3 секунды в нагретый парафин. При этом если на поверхности парафиновой оболочки появляются пузырьки воздуха, их удаляют и заглаживают эти места. Эту операцию повторяют до образования плотной парафиновой оболочки, толщиной 0,5 – 1,0 мм.
3. Покрытый парафином грунт охлаждают и взвешивают на технических
весах, m1, г.
36
4. Затем парафинированный образец взвешивают в сосуде с водой (m2).
Для этого над чашей весов устанавливают подставку для сосуда с водой так, чтобы исключить ее касание к чаше весов (рис. 3.2). К серьге
коромысла весов подвешивают образец и опускают его в сосуд с водой. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду. При этом он не должен касаться дна и стенок с осуда.
1
1 – коромысло весов;
2 – чаша весов;
3 – подставка;
4 – стакан с водой;
5 – запарафинированный
образец грунта в воде
4
5
3
2
Рис. 3.2. Схема взвешивания парафинированного образца в воде
5. Взвешенный образец вынимают из воды, промокают фильтрованной
бумагой и повторно взвешивают в воздухе, чтобы убедиться в том, что
вода не прошла в грунт. Если при этом обнаруживается приращение
массы образца более чем на 0,02 г по сравнению с массой m1, то образец должен быть забракован, а испытание необходимо повторить с
другим образцом.
Обработка результатов
Плотность грунта ρ, г/см3 вычисляют по формуле
ρ = m ρn ρw / [ ρn(m1 – m2) – ρw(m1 – m2)],
(3.4)
где m - масса образца грунта до парафинирования, г;
m1 - масса парафинированного образца грунта, г;
m2 - масса парафинированного образца в воде - разность масс парафинированного образца и вытесненной им воды, г;
ρn - плотность парафина, принимается равной 0.900 г/см 3;
ρw - плотность воды при температуре испытаний, г/см 3;
37
Плотность воды при различных температурах приведена в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Плотность воды при различных температурах
Температура, °С
0-12
13-18
19-23
Плотность, г/см3 Температура, °С
1,000
24-27
0,999
28-30
0,998
31-33
Плотность, г/см3
0,997
0,996
0,995
Для каждой пробы грунта следует производить два параллельных
определения плотности грунта ρ, а затем вычислять среднее значение с точностью 0,01г/см3. Расхождение в параллельных определениях допускается до
0,02 г/см3. Все данные испытаний заносятся в журнал (табл. 3.4).
Номер
образца
Масса влажного образца
без парафиновой оболочки, m , г
Масса
Масса
Масса образца
образца с
запарафини- с парафиновой
парафиновой рованного
оболочкой
оболочкой,
образца в
(контрольная),
m1 , г
воде, m2 , г
m1 , г
Плотность
грунта,
ρ, г/см3
Примечание
Журнал
определения плотности грунта методом
парафинирования и взвешивания в воде
Таблица 3.4
3.7. Определение плотности частиц грунта
пикнометрическим методом
Плотностью частиц грунта ρs называется отношение массы частиц
грунта к их объему.
Плотность частиц грунта зависит от минералогического состава и для
большинства грунтов она меняется в незначительных пределах (2,5-2,8 г/см3).
Для песков ρs =2,65 – 2,67 г/см3, для глин ρs = 2,71 – 2,76 г/см3.
Определяется с помощью пикнометра, поэтому метод называется пикнометрическим. Пикнометр - мерная стеклянная колба строго определенного
объема (рис. 3.3).
38
2
Рис. 3.3. Общий вид пикнометра:
11-мерная
колба; 2 – риска объема
100 см3
при 20С
0
Объем пикнометра устанавливается по кольцевой риске на горлышке
колбы.
Для определения плотности частиц грунта необходимо иметь пикнометр емкостью в 100 см3; весы аналитические с разновесами; стеклянный или
металлический стаканчик с крышкой; дистиллированную воду; термометр;
ступку с пестиком; сито с диаметром отверстий 1 мм; песчаную баню; сушильный шкаф; журнал.
Порядок выполнения работ
1. Грунт в воздушно-сухом состоянии размельчают в фарфоровой ступке пестиком и отбирают методом квартования среднюю пробу массой
100 г, которую просеивают сквозь сито с сеткой в 1 мм, остаток на
сите растирают в ступке и просеивают сквозь то же сито. Грунт тщательно перемешивают.
2. Из перемешенной средней пробы берут навеску грунта массой в
10 - 15 г на каждые 100 мл емкости пикнометра и помещают ее в заранее взвешенный стаканчик.
3. Стаканчик с грунтом взвешивают на технических весах и получают
массу грунта и стаканчика.
4. Грунт со стаканчиком помещают в сушильный шкаф и высушивают
его до постоянной массы с целью определения влажности.
5. Определяют массу пустого пикнометра. Для этого его взвешивают на
аналитических весах с точностью 0,001 г. Номер пикнометра и результаты взвешивания заносят в журнал.
39
Плотность частиц
грунта, ρs, г/см3
1
2
среднее
значение
Примечание
Масса пикнометра
с водой, m2 , г
Масса пикнометра
с грунтом и водой,
m1 , г
Масса грунта,
m0, г
Масса пикнометра
с грунтом, г
Масса пикнометра, г
Номер пикнометра
Номер образца
6. Переносят навеску взвешенного грунта в пикнометр и взвешивают на
аналитических весах. Из массы пикнометра с грунтом вычитают массу пикнометра и получают массу грунта, m0, г.
7. Для удаления воздуха из грунта пикнометр наполняют дистиллированной водой до 0,3 - 0,5 его емкости. Содержимое взбалтывают и
ставят кипятить на песчаную баню. Продолжительность спокойного
кипячения (с момента начала кипячения) должна составлять 30 минут
(пески) и 1 час (глины и суглинки).
8. После кипячения пикнометр с суспензией охлаждают и доливают дистиллированной водой до мерной риски на горлышке. Пикнометр
охлаждают до температуры 20°С в ванне с водой. Температуру воды
измеряют с помощью термометра. Низ мениска воды на горле пикнометра должен совпадать с риской. Если он не совпадает, поправляют
положение мениска. После этого пикнометр взвешивают на аналитических весах и получают массу пикнометра с водой и грунтом, m1, г.
9. Содержимое пикнометра выливают, его ополаскивают, наполняют
дистиллированной водой до риски и взвешивают на аналитических
весах, m2, г. Полученные данные заносят в журнал (табл. 3.5).
Таблица 3.5
Журнал
определения плотности частиц грунта
Обработка результатов
Плотность частиц грунта ρs, г/см3, вычисляют по формуле
ρs = ρw m0 / (m0+m2-m1),
где m0 - масса сухого грунта, г;
m1 - масса пикнометра с водой и грунтом после кипячения
при температуре испытаний, г;
m2 - масса пикнометра с водой при той же температуре, г;
40
(3.5)
ρw - плотность воды при температуре испытаний, г/см 3.
10. В случае использования грунта в воздушно-сухом состоянии плотность его частиц ρs вычисляют по формуле
ρs = m(1+Wг),
(3.6)
где m - масса пробы воздушно-сухого грунта, г;
Wг - гигроскопическая влажность грунта в долях единицы.
3.8. Определение гранулометрического (зернового) состава
грунта ситовым методом
Этот метод является достаточно простым, не требует сложного оборудования и дает точные результаты испытаний.
Для определения гранулометрического состава грунта ситовым методом необходимо иметь набор стандартных сит; технические весы с разновесами; фарфоровую ступку и пестик с резиновым наконечником; фарфоровые
чашечки или стеклянные стаканчики; ложку или совок; грушу резиновую;
нож; эксикатор с прокаленным хлористым кальцием; шкаф сушильный; лист
бумаги; журнал.
Подготовка к испытанию
1. Для разделения грунта на фракции ситовым методом без промывки
водой применяют сита с диаметром отверстий 10, 5, 2, 1, 0,5 мм, т.е.
пять сит. Если ситовой анализ выполняется с промывкой водой - 7 сит
с диаметром отверстий 10, 5, 2, 1, 0,5, 0,25, 0,1 мм.
2. Сита монтируют в колонку, размещая их от поддона в порядке увеличения размера отверстий (рис. 3.4).
1
10мм
5мм
2мм
1мм
0.5мм
0.25мм
0.10мм
1 – крышка;
2 – поддон;
3 – сита
3
2
Рис. 3.4. Схема комплекта набора сит
для гранулометрического анализа грунтов
41
На верхнее сито надевают крышку. Для отбора средней пробы грунт в
воздушно-сухом состоянии рассыпают тонким слоем на листе бумаги. Проводят шпателем борозды в продольном и поперечном направлениях, разделяя
поверхность грунта на квадраты, и отбирают грунт понемногу из каждого
квадрата.
Масса средней пробы должна составлять для грунтов, не содержащих
частиц размером крупнее 2 мм – 100 г; для грунтов, содержащих частицы до
10 % ( по массе) крупнее 2 мм – не менее 500 г; для грунтов, содержащих от
10 до 30 % частиц размером крупнее 2 мм – 1000 г; для грунтов, содержащих
свыше 30 % частиц размером крупнее 2 мм – не менее 2000 г. Содержание
частиц в грунте крупнее 2 мм определяют визуально.
Проведение испытания
1.
2.
3.
4.
а) при разделении грунта на фракции без промывки водой
Отобранную пробу грунта в воздушно-сухом состоянии взвешивают
на технических весах. Для упрощения и удобства расчета желательно,
чтобы общая масса пробы была равна целым граммам.
Пробу грунта высыпают в верхнее сито собранного набора (рис. 3.4),
плотно закрывают крышкой и просеивают, совершая колебательные
движения. Фракции грунта, оставшиеся на ситах, высыпают, начиная с
верхнего сита, в ступку и дополнительно растирают пестиком с резиновым наконечником, после чего вновь просеивают на этих же ситах.
Полноту просеивания фракции грунта проверяют встряхиванием каждого сита над листом бумаги. Если на лист выпадают частицы грунта,
то их высыпают на следующее сито. Просеивание продолжают до тех
пор, пока на бумагу перестанут выпадать частицы.
Фракции грунта, оставшиеся на сите после просеивания и прошедшие
в поддон, следует перенести в заранее взвешенные стаканчики или
чашечки (m1) и взвесить для определения их массы (m2). Сложить массы всех фракций грунта. Сумма всех масс должна быть равна массе
всей навески грунта, которую используют для анализа. Если полученная сумма превышает более чем на 1 % массу взятой для анализа пробы, то испытание следует повторить.
Потери грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропо рционально их массе.
б) при разделении грунта на фракции с промывкой водой
1. Пробу грунта отбирают так же, как для анализа без промывки водой.
2. Отобранную пробу высыпают в заранее взвешенную фарфоровую чашку, увлажняют и растирают пестиком с резиновым наконечником.
3. Заливают грунт водой, взмучивают суспензию и дают ей отстояться в
течение 10-15 секунд. Взвесь с неосевшими частицами пропускают че-
42
рез сито с размером отверстий 0,1 мм. Взмучивание и сливание продолжают до полного осветления воды над осадком. После этого сливают оставшиеся на сите частицы при помощи резиновой груши в фарфоровую чашку, а оставшуюся воду сливают.
4. Промытую пробу грунта высушивают до воздушно-сухого состояния и
взвешивают чашку с грунтом.
5. Массу частиц грунта размером менее 0,1 мм вычисляют по разности
между массой средней пробы, взятой для анализа, и массой высушенной пробы грунта после промывки.
6. Промытый и высушенный грунт просеивают сквозь набор сит. Повторяют пункты анализа 2, 3, 4, указанные выше при разделении грунта на
фракции без промывки водой.
Обработка результатов анализа
1. Содержание в грунте каждой фракции А вычисляют по формуле
А =mф / m1 ,
(3.7)
где mф - масса данной фракции грунта, г;
m1 - масса средней пробы, взятой для анализа, г.
2. Все данные анализа записывают в журнал (табл.3.7) , в котором указывают процентное содержание в грунте фракций:
а) размером более 10; 10-5; 5-2; 2-1; 1-0.5 и менее 0,5 мм- при разделении грунта на фракции без промывки водой;
б) размером более 10; 10-5; 5-2; 2-1; 1-0,5; 0,5-0,25; 0,25-0,1 и менее
0,1мм при разделении грунта на фракции с промывкой водой.
Таблица 3.6
Журнал
определения гранулометрического состава грунта ситовым методом
Наименование
> 10
Размеры фракций грунта, мм
5-2
2-1 1-0.5 0.5 - 0,25 0,25
0,1
10-5
< 0,1
1. Масса тары (фарфоровая
чаша), m 1 , г
2. Масса тары с грунтом,
m2, г
3. Масса фракции, А, г
4. Содержание фракции, %
Результаты анализа сопровождают указанием метода определения.
При определении гранулометрического состава глинистых грунтов используются рекомендуемые ГОСТ и литературой [8, 12, 22, 30] методы, ос43
нованные на отмучивании грунта в воде. Эти методы предусматривают, что
скорость падения частиц грунта в воде зависит только от их размеров. В действительности же она зависит также от формы и минералогического с остава
частиц, температуры, минерализации воды, освещенности суспензии, спос обов подготовки грунта к анализу и т.д. Эти методы требуют значительного
времени для анализа и применяются для специальных целей. [22, 30].
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ГРУНТОВ МЕТОДОМ КОМПРЕССИОНЫХ ИСПЫТАНИЙ
4.1. Общие положения
Для расчетов деформаций, оценки прочности и устойчивости грунтов
оснований сооружений необходимо знать характеристики механических
свойств грунтов. Под механическими свойствами грунтов понимают их
способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых и физических воздействий. В допредельном по прочности напряженном
состоянии характеристики механических свойств называются деформационными, так как они определяют способность грунта сопротивляться развитию
деформаций (осадок, просадок, горизонтальных смещений и т.д.). В предельном по прочности состоянии эти характеристики называются прочностными
и определяют способность грунта сопротивляться разрушению.
Механические свойства грунтов зависят от их состава, физического состояния (плотности, влажности) и структурных особенностей, обусловленных условиями образования и последующего изменения, поэтому характеристики механических свойств не могут быть определены в зависимости от физического состава и состояния, а должны определяться экспериментально.
Для определения характеристик механических свойств грунтов проводятся
лабораторные и полевые испытания.
При лабораторных исследованиях особое внимание уделяется тому,
чтобы образцы грунта по физическому состоянию соответствовали условиям
естественного залегания.
Наиболее широко применяемой схемой определения деформационных
характеристик грунтов является схема лабораторных компрессионных испытаний. Образец грунта, помещенный в жесткую металлическую обойму
кольцевой формы, нагружается с помощью жесткого металлического штампа
нормальной силой. Под действием этой силы в образце возникают сжимающие напряжения, вызывающие уплотнения грунта и осадку штампа. Схема
компрессионных испытаний близка лишь ограниченному кругу инженерных
задач, однако результаты этих испытаний с определенными допущениями
широко используются в расчетной практике.
44
Для определения прочностных характеристик грунтов наиболее пр остой является схема одноплоскостного сдвига. Образец грунта помещается в
жесткое металлическое кольцо, разрезанное на две части, между которыми
имеется зазор. Прикладывая к образцу через штамп нормальную силу, добиваются уплотнения грунта в условиях компрессии до требуемого состояния.
Затем с помощью горизонтальной силы производится разрушения образца путем сдвига одной его части по другой. Основным недостатком сдвиговых испытаний является разрушение образца по заранее заданной, фикс ированной зазором поверхности сдвига. В природных условиях эта схема
наиболее соответствует сдвигу фундамента с прилегающим к нему грунтом
по основанию под действием горизонтальных сил или сдвига одной части
грунта по другой при наличии фиксированной поверхности разрушения. Тем
не менее, эта схема широко используется в производственной практике.
4.2. Деформационные характеристики грунтов
Сжимаемость грунтов является характерным их свойством, существенно отличающим грунты от массивных горных пород. Сжимаемостью грунтов
называют их способность изменять свое строение (упаковку твердых частиц)
под влиянием внешних воздействий на более компактное за счет уменьшения
пористости грунта. Сжимаемость грунтов обусловлена изменением их пористости, а следовательно, и общего объема под действием внешних сил. Деформации грунтов имеют упругий и пластический характер. Упругие деформации возникают при нагрузках, не превышающих структурной прочности
грунта. Они обусловлены лишь упругим сжатием скелета грунта. Уплотнение
грунта при этом не происходит. При нагрузках, превышающих структурную
прочность грунта, возникают пластические деформации, вызванные разрушением связей между частицами. Они значительно превышают упругие деформации и делятся на объемные и сдвиговые.
Объемные деформации приводят к изменению объема пор в грунте, т.е.
к его уплотнению (сжатию).
Для установления основных показателей сжимаемости грунтов производятся испытания их на уплотнение под нагрузкой в условиях одномерной
задачи, когда деформации грунта могут развиваться только в одном направлении и никакие другие силы, кроме внешней нагрузки, не действуют. Для
испытания грунтов на сжимаемость применяются приборы с жесткими стенками (одометры) для обеспечения сжатия грунта без возможности его бокового расширения. Такое сжатие грунта называется компрессионным сжатием.
Поскольку уплотнение грунта связано с изменением его пористости, результаты компрессионных испытаний представляют в виде компрессионной кривой – зависимости коэффициента пористости грунта от сжимающего давления.
45
В результате испытания грунтов методом компрессионного уплотнения
получают характеристики сжимаемости грунтов: коэффициент сжимаемости
mо, коэффициент относительной сжимаемости mv , модуль общей деформации Eо.
В задачу компрессионных испытаний входит получение зависимости
изменения коэффициента пористости грунта от изменения уплотняющего
давления.
Объем грунта V в одометре можно представить состоящим из двух объемов - объема пор V1 и объема частиц V2:
V= V1 + V2.
(4.1)
Количество пор в грунте характеризует коэффициент пористости е, который представляет собой отношение объема пор V1, содержащихся в грунте,
к объему частиц V2:
e = V1 / V2.
(4.2)
Подставим в это выражение вместо V1 соответствующее значение из
формулы (4.1), получим
e = (V / V2 ) - 1.
(4.3)
Таким образом, с помощью коэффициента пористости найдем объем пор
и объем частиц, содержащихся в образце грунта. Из формулы (4.3) следует,
что объем частиц будет равен
V2 = [1 / (1+ e)] · V.
(4.4)
Подставим V2 в уравнение (4.1) и решим его относительно V1, получим
формулу для определения объема пор, содержащихся в грунте:
V1 = [e / (1+e)] · V.
(4.5)
Объем пор V1 часто выражают в процентах n по отношению ко всему
объему грунта V, принимаемому за 100 %. Эту величину называют пористостью n:
n = (V1 / V) · 100 %
46
(4.6)
Подставим в формулу (4.6) вместо V1 его значение из формулы (4.5), получим следующие выражения:
n = [e / (1+ e)] ·100 %;
e = n / (100 – n).
(4.7)
Полученные формулы позволяют нам найти зависимость между коэффициентом пористости е и деформацией грунта Δh в процессе уплотнения
образца в компрессионном приборе.
Высота образца h в кольце одометра должна быть небольшой по сравнению с диаметром кольца D, чтобы на процессе уплотнения не сказывались
силы трения грунта о стенки прибора. В современных приборах это отношение равно D / h = 3,5 [11; 28; 29].
После приложения нагрузки в результате сжатия высота образца h
уменьшится на некоторую величину Δh и станет равной h – Δh.
Эта деформация может произойти лишь за счет уменьшения объема пор,
а объем частиц в течение всего процесса сжатия остается неизменным
[21; 28; 29].
Тогда, пользуясь формулой (4.4), запишем следующие уравнения объема
частиц в образце грунта до и после уплотнения:
V2 = h / (1+ e0); V2 = (h – Δh) / (1+ e),
(4.8)
где e0 – коэффициент пористости грунта до приложения нагрузки;
e – коэффициент пористости грунта после приложения нагрузки.
Так как объем частиц остается неизменным, то
h / (1+ e0) = (h – Δh) / (1+ e).
(4.9)
Решая выражение (4.9) относительно е получим зависимость между коэффициентом пористости е и деформацией образца Δh без возможности его
бокового расширения:
e = e0 – (Δh / h) · (1+ e0).
(4.10)
Формулу (4.10) можно записать в следующем виде:
e = e0 – (S/ h) · (1+ e0),
(4.11)
где S/ h = Δh / h - относительная деформация уплотнения грунта при данной
ступени нагрузки рi. Здесь S - осадка образца грунта.
47
Уплотнение грунтов возможно только при действии на них нагрузки,
превышающей их структурную прочность рstr [29], под которой следует понимать прочность и устойчивость структурных связей между частицами
грунта. Если приложенная нагрузка на грунт превышает прочность связей
между частицами рstr, грунт будет деформироваться. Если она меньше рstr –
деформации грунта будут только упругими. Поэтому структурная прочность
имеет большое значение в установлении закономерностей уплотнения грунтов.
Выражение (4.11) является основной компрессионной зависимостью,
показывающей значение коэффициента пористости грунта при любой ступени нагрузки.
В ходе испытаний грунта в одометре получают ряд значений осадок
образца Si . Используя их, определяют величину компрессионного уплотнения Δеi :
Δеi = e0 – (Si / h) · (1+ e0),
(4.12)
где Δеi – изменение коэффициента пористости при данной ступени нагрузки;
e0 – коэффициент пористости грунта до приложения нагрузки.
Текущее значение еi, соответствующее данной ступени нагрузки рi,
определится разностью:
еi = е – Δеi .
(4.13)
По найденным значениям еi и рi в осях е и р строят кривую зависимости еi =f(рi), которую в механике грунтов называют компрессионной зависимостью (рис. 4.1), так как она характеризует сжимаемость грунта.
е
Рис. 4.1.
Компрессионная
кривая связного
грунта
N
е0
1
е1
2
3
А

е2
4
N
0
pst r p1
p2
p
48
В начале испытаний нагрузку на грунт прикладывают малыми ступенями - 0,002 - 0,01 МПа, чтобы найти точку перелома 2 (см. рис. 4.1), которая
определяет структурную прочность грунта Pstr. При этом коэффициент пористости не меняется, деформации грунта отсутствуют. В дальнейшем ступени
нагружения могут быть увеличены до 0,05 - 0,1 МПа.
Диапазон давлений, при котором проводят испытания, определяется
программой исследований. Он принимается в пределах полуторного проектного давления на грунт, которое будут оказывать фундаменты сооружения.
При испытании глинистых грунтов на компрессионной кривой будут два
характерных участка: первый – до давлений, не превосходящих структурной
прочности грунта Pstr, с очертанием, близким к линейному, и второй – криволинейный, со значительными изменениями коэффициента пористости, что
указывает на уплотнение грунта под нагрузкой, превосходящей структурную
прочность грунта.
В отличие от глинистых у песчаных грунтов участок 1-2 отсутствует.
Они не обладают структурной прочностью.
Криволинейные участки компрессионной кривой могут быть заменены
прямой линией. Уравнение этой прямой будет
е =А – m0 · p,
(4.14)
где А – отрезок, отсекаемый прямой N-N на оси ординат Ое;
m0 – угловой коэффициент этой прямой, определяемый по формуле
m0= tgα = (е 1 – е 2) / (p 2– p 1) = Δе / Δр.
(4.15)
Величину tgα характеризует сжимаемость грунта в пределах изменения
давления от p1 до p2 , поэтому ее называют коэффициентом сжимаемости.
Формулу (4.15) можно записать в следующем виде:
Δе= – m0 · Δр.
(4.16)
Эта формула в механике грунтов называется законом уплотнения, который формулируется следующим образом: при небольших изменениях сжимающих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.
Коэффициент сжимаемости или уплотнения имеет размерность обратную размерности интенсивности давления - кПа-1.
Чем плотнее исследуемый грунт, тем меньше угол наклона прямой NN к
оси р при одном и том же диапазоне изменения давления р и наоборот. По
этому коэффициенту можно судить о степени плотности грунта. Поскольку
49
теоретической основой механики грунтов является теория упругости [23; 29],
то к грунтам с известными допущениями может быть применен закон Гука.
Если в формуле (4.16) заменить Δе относительной деформацией λ, а
давление Δр выразить через напряжение σ, то получим
λ= m0 · σ.
(4.17)
Так как m0 = 1 /Е, то закон Гука для грунтов записывается в следующем
виде:
σ = λ · Е,
(4.18)
где Е – модуль деформации грунта.
Из формулы (4.18) следует, что напряжение прямо пропорционально относительной деформации грунта. Тогда
λ=(1 /Е) · σ.
(4.19)
Таким образом, закон уплотнения в ограниченном диапазоне давлений
имеет полную аналогию с законом Гука.
При характеристике компрессионной кривой наряду с коэффициентом
сжимаемости применяется коэффициент относительной сжимаемости mv :
mv = m0 / (1+ е).
(4.20)
Этот коэффициент легко связать с осадкой образца Si при данной ступени нагрузки и с толщиной сжимаемого грунта h:
[m0 / (1+ е)] / (Si / h · Δр) = mv..
(4.21)
Из (4.21) видно, что коэффициент относительной сжимаемости характеризует относительную осадку Si / h, приходящуюся на интенсивность изменения давления Δр.
Таким образом, при компрессионных испытаниях грунтов основными
характеристиками, определяющими их деформативные свойства, являются:
 коэффициент сжимаемости m0,
 коэффициент относительной сжимаемости mv ,
 модуль деформации Е.
Так как сжатие грунта в одометре происходит без возможности бокового
расширения, то к этим показателям добавляются коэффициент бокового дав-
50
ления ξ и коэффициент поперечной деформации или коэффициент Пуассона
– ν. Представим схему напряжений, действующих в грунте в одометре, по
осям x,y,z (рис. 4.2).


Рис. 4.2. Схема
напряжений, действующих
в грунте при его сжатии
в одометре



Так как грунт находится в кольце, 1, то сжатие грунта возможно только
по оси Z; относительные деформации по осям Х и У отсутствуют:
λХ = λY = 0, σz > σx = σY.
Тогда коэффициент бокового давления ξ будет равен
ξ = σx / σz = σY / σ.z
(4.22)
Из формулы (4.22) устанавливаем:
σx = σY = ξ · σz = ξ · р,
(4.23)
где р – удельное давление на грунт.
Относительные деформации λХ = λY = λZ определяются на основе
обобщенного закона Гука:
λХ =1/Е · (σx – ν·σY – ν·σz);
λУ =1/Е · (σY – ν·σx – ν·σz);
(4.24)
λZ =1/Е · (σz – ν·σx – ν·σY).
Используя выражение (4.24) установим взаимосвязь между коэффициентом бокового давления ξ и коэффициентом Пуассона ν.
51
Так как λХ =λY = 0, приравняем первые два уравнения формулы (4.24)
нулю и подставим вместо σx и σy их значения σx=σy= ξ·σz= ξ·р , получим
ξ·р – ν·ξ·р – ν·р=0 или ξ – ν·ξ – ν =0;
Решив уравнение относительно ν и ξ, получим:
ν = ξ / (1+ ξ),
(4.25)
ξ = ν / (1 – ν).
(4.26)
Из третьего уравнения формулы (4.24) определим очень важную характеристику компрессионных испытаний – модуль деформации. Относительные деформации λХ = Δh / h = Si / h. Определим Δh / h из формулы (4.10):
Δh / h = (e0+ e) / (1+ e0).
Так как (e0+ e) = m0 ·p, то по формуле (4.15), относительную деформацию Δh / h можно выразить через коэффициент сжимаемости m0 и удельное давление р:
Δh / h = (m0 · p) /(1+ e0).
(4.27)
Подставим найденные значения относительной деформации по оси Z в
третье уравнение формулы (4.24) Δh / h=1 / Е · (σz – ν·σx – ν·σY )
или m0 · p /(1+ e0) = 1 / Е·(σz – ν·σx – ν·σY ).
Решим это уравнение относительно Е, получим формулу для определения модуля деформации:
(m0 · p) /(1+ e0) = (p / Е) · [1– (2·ν 2/ (1– ν ))], откуда
E= [(1+ e0) / m0]· [1– (2·ν 2/ (1– ν ))],
обозначим
(1– [2·ν 2/ (1– ν )] = β.
(4.28)
(4.29)
Коэффициент β учитывает отсутствие поперечного расширения грунта в
компрессионном приборе.
Тогда для определения модуля деформации получим формулу
E = [(1+ e0) / m0] · β = β/ mv
52
(4.30)
Модуль деформации и коэффициент сжимаемости на различных участках компрессионной кривой для данного грунта будут различными, поэтому
их определяют в интервале давлений, которые будет передавать сооружение
на грунт под подошвой фундаментов. Выбор точек 3 и 4 на компрессионной
кривой (рис. 4.1) при определении коэффициента сжимаемости m0 и модуля
деформации Е не может быть случайным, а должен быть подчинен опред еленному правилу. Координата точки 3 должна соответствовать естественной
природной нагрузке на грунт р1 и естественному коэффициенту пористости
е1. Координата точки 4 должна соответствовать конечной нагрузке р2 после
возведения сооружения. По конечной нагрузке р2 на компрессионной кривой
находят значение е2.
Нормативные значения модуля деформации для различных глинистых
грунтов в зависимости от показателя текучести и коэффициента пористости
приводятся в СНиП 2.02.01-83* и многочисленной литературе [7; 11; 18; 19;
20; 25]. Модуль деформации грунта является важным показателем его деформационных свойств, характеризующим уплотняемость грунта при его
нагружении. Он используется при расчете осадок сооружений на грунтовых
основаниях.
По литературным данным [23], опытные значения коэффициента бокового давления ξ составляют для песчаных грунтов 0,25 - 0,37; для глинистых
– 0,11 - 0,82.
Значения β определяют по формуле (4.29) в зависимости от величины
коэффициента Пуассона грунта ν, значения которого приведены в табл.(4.1)
или от коэффициента бокового давления ξ.
Таблица 4.1
Значение коэффициента ν для грунтов
Наименование грунта
Пески и супеси
Суглинки
Показатель текучести, IL
ν
0,3 - 0,35
0,35 - 0,37
IL < 0
0,2 - 0,3
Глина
0 ≤ IL ≤ 0,25
0,3 - 0,38
0,25 < IL < 1,0
0,38 - 0,45
Примечание: меньшие значения ν принимают при большей плотности грунта
4.3. Методика компрессионных испытаний грунтов
Опытное определение сжимаемости грунта, как это указано выше, состоит в определении зависимости еi = f(рi) и построении компрессионной
кривой. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенной структуры с природной влажностью (в случае проектирования фундаментов зданий)
или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и
влажности (при проектировании плотин, дамб и т.д.).
53
Результаты испытаний оформляют, как правило, в виде графиков зависимости деформаций образца от нагрузки и их изменение во времени.
Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется
программой исследований и принимается в пределах полуторного значения
проектного давления на грунт. На рис. 4.3 приведена схема компрессионного
прибора конструкции института «Гидропроект».
5
N
4
5
1
7
2
3
6
1 – режущее кольцо;
2 – корпус прибора;
3 – нижний перфорированный
штамп;
4 – верхний перфорированный
штамп (поршень);
5 – индикатор;
6 – поддон;
7 – грунт
Рис. 4.3. Схема одометра
Исследуемый грунт помещают в предварительно взвешенное режущее
кольцо 1. Техника отбора грунта в кольца изложена в разделе 2.
Погрузив грунт в кольцо, ножом тщательно зачищают верхнюю и нижнюю плоскости образца грунта в режущем кольце.
Размеры кольца: диаметр D = 87,4 мм; высота h =25 мм; отношение
D/ h = 3,5; площадь образца А = 60 см2.
Давление на грунт осуществляется через пористый поршень, на который
через шаровый шарнир передается нагрузка N. Перфорированный поршень 4
и нижний пористый штамп 3 позволяют производить отток воды, выжимаемой из пор грунта при его уплотнении. Листы фильтровальной бумаги
предохраняет пористый поршень и донную пластину штампа от засорения
частицами грунта. Нагрузка на поршень передается с помощью рычага, соотношение плеч которого 1 : 10. Таким образом, груз, приложенный к подвеске рычага, массой 1 кг передает на поршень одометра усилие в размере
1·10·g = 100 Н (здесь g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2 , в
инженерных расчетах принимают g = 10 м/с 2).
Компрессионный прибор снабжен устройством для измерения вертикальных деформаций образца грунта при помощи двух индикаторов часового
типа.
54
Конструкция прибора обеспечивает отвод и подачу воды к образцу снизу одометра. Первоначальное давление на образец создается весом штампапоршня и закрепленными на нем измерительными приборами, p = 0,0025 МПа.
В заводских условиях компрессионный прибор протарирован на сжатие
с помощью металлического вкладыша с двумя бумажными фильтрами, который помещается в режущее кольцо. График тарировки прикладывается к инструкции прибора. Такую тарировку проводят ежегодно. Максимальное давление при тарировке принимают равным 10 МПа, нагружение осуществляется ступенями давления p = 0,05 МПа с выдержкой 2 мин.
Подготовка к определению сжимаемости грунта
1. Перед испытанием грунта на сжатие в компрессионном приборе определяют все его физические характеристики.
2. Взвешивают рабочее режущее кольцо прибора, предварительно смазав
его тонким слоем вазелина или машинным маслом.
3. Из монолита грунта берут пробу для определения влажности и плотности
грунта.
4. При испытании грунта естественной структуры образцы загружают в
прибор, располагая их так же, как и в условиях естественного их залегания, т.е. чтобы верх и низ соответствовали залеганию грунта в естественных условиях.
5. Отбирают из монолита режущим кольцом грунт естественной структуры
и влажности. Порядок вырезания образца описан ранее. После взятия
грунта, кольцо очищают от приставших частиц и взвешивают на технических весах с точностью 0,01 г.
6. Определяют плотность грунта ρ и его влажность W, плотность частиц
грунта ρs , плотность сухого грунта ρd и коэффициент пористости е.
7. Грунт в кольце с обеих сторон покрывают влажной фильтровальной бумагой и осторожно помещают в одометр.
8. Собирают одометр и устанавливают его на станину загрузочного устройства.
9. Проверяют наличие шарового шарнира между загрузочной рамкой и
поршнем одометра, а также проверяют правильность установки рычагов
и подвески для грузов.
10. Устанавливают на поршне одометра два индикатора часового типа. Проверяют правильность сборки прибора. При легком нажатии пальцем на
рычаг одометра стрелки индикаторов должны отклониться, а при снятии
нагрузки они должны вернутся в первоначальное положение.
11. В журнале (табл. 4.2) записывают начальные отсчеты по индикаторам,
дату и время начала испытаний.
55
Примечание
Относительная деформация,
λZ = (ΔhI – Δ)/h
Абсолютная деформация с
учетом поправки, ΔhI - Δ
Поправки на деформацию
прибора, Δ, мм
Абсолютная деформация
образца, Δhi, мм
среднее
п2
п1
Показания индикаторов деформаций
pi, МПа или кПа
Масса груза на подвеске рычага прибора, m, кг
Давление на образец грунта,
Номер ступени нагружения
Время от начала опыта, t, ч
Время снятия отсчета, ti , ч
Дата испытаний
Номер образца
Таблица 4.2
Журнал испытаний грунта методом компрессионного сжатия
Проведение испытаний сжимаемости грунта для определения
характеристик m0, Е и р str.
1. Нагружение испытываемого образца грунта проводят равномерно
ступенями нагрузки.
2. Первую ступень давления рi при испытании песков принимают в зависимости от коэффициента пористости е (табл. 4.3), а последующие ступени
давления рi принимают равными 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом 0,1 МПа до заданного значения давления [11].
Таблица 4.3
Первая ступень давления для песков
в зависимости от коэффициента пористости
Коэффициент пористости
Первая ступень давления, рi, МПа
е≥0,75 0,75> е>0,6
0,0125
0,025
е≤0,6
0,05
В отдельных случаях, предусмотренных заданием, принимают более
дробные ступени давления рi, исходя из особенностей деформируемости
грунта, условий его отсыпки и особенностей возведения сооружения.
3. В случае испытания глинистых грунтов при определении их структурной прочности на сжатие рstr первую и последующие ступени давления
принимают равным 0,025 МПа до момента начала сжатия образца. Начало
сжатия принимают при относительной деформации грунта Δh/h ≥0,005. При
дальнейшем нагружении за очередную ступень давления принимают ближайшее большее значение по пункту 2. Для получения заданного давления рi
на образец грунта определяют массу груза Q, которую нужно приложить на
подвеску рычага загрузочного устройства одометра по формуле
Qi = pi · A/(10·g ),
56
(4.31)
где А – площадь образца грунта в кольце;
10 – соотношение плеч рычага;
g – ускорение свободного падения.
При последующем повышении давления на Δр необходимое увеличение массы груза на подвеске загрузочного устройства составит
ΔQi = Δp· A/(10·g).
(4.32)
Приращения нагрузки или ее ступени определяются целями и задачами
испытания.
Однако могут быть специальные опыты, когда не только начальное
давление, но и последующие приращения давления принимают меньше или
больше значений, указанных в пункте 2.
4. Для глинистых водонасыщенных грунтов, в случае их разуплотнения во время отбора образцов, при определении структурной прочности, следует вычислить их относительное разуплотнение Δhн /h по формуле:
Δhн /h=eo (1-Sr )/(1+ eo ),
(4.33)
где Δhн - увеличение высоты образца при разуплотнении, см;
h - высота образца до испытания, см;
eо – начальный коэффициент пористости грунта после подъема образца
на поверхность;
Sr – коэффициент водонасыщения грунта после подъема образца
на поверхность.
5. На каждой ступени нагружения образца снимают отсчеты по приборам (индикаторам) для измерения вертикальных деформаций в следующей
последовательности: первый отсчет – сразу после приложения нагрузки, затем через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 минут и далее с интервалом 1 час в течение рабочего дня, а затем в начале и в конце рабочего дня - до условной
стабилизации деформации образца. За критерий условной стабилизации д еформации принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01
мм за последние 4 часа наблюдений для песков, 16 часов – для глинистых и
24 часа - для органоминеральных и органических грунтов. Так, постепенно
увеличивая давление на грунт и выдерживая после приложения каждой ступени нагрузки время условной стабилизации деформаций, испытания продолжают до достижения конечной нагрузки Q=36 кг.
6. После приложения последней ступени давления на грунт рК, равной
расчетному сопротивлению грунта под подошвой проектируемых фундаментов, производят разгрузку образца грунта в последовательности, обратной
порядку нагружения.
57
При разгрузке последняя ступень должна соответствовать давлению,
создаваемому весом поршня и смонтированных на нем индикаторов.
Регистрацию деформаций образца при разгрузке следует вести через
интервалы времени, указанные в пункте 5, как и при нагрузке. За критерий
условной стабилизации деформаций образца принимается скорость дефо рмации (увеличение его высоты) равной 0,01 мм по пункту 5.
7. После окончания испытания образца грунта необходимо удалить
воду сверху образца и из поддона, опустить арретир, снять нагрузку, взвесить
рабочее кольцо с грунтом, определить влажность, массу и плотность сухого
грунта.
4.4. Обработка результатов испытаний
1. Для определения характеристик m0, Е и рstr по результатам испытаний для
каждой ступени нагружения вычисляют:
 абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца
грунта h , мм, как среднее арифметическое показаний измерительных
приборов (индикаторов) за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора Δ;
 относительную вертикальную деформацию образца по формуле
λz = Δh /h=S/h,
(4.34)
где Δh - деформации образца при данной ступени нагрузки;
h – первоначальная высота образца до приложения нагрузки;
S – осадка образца при данной ступени нагрузки.
2. По вычисленным значениям строят график зависимости λZ= f(рi) (рис. 4.5).
pst r
Рi+1
Рi
0
P,МПа
Рис. 4.4.
Относительное сжатие
глинистого грунта
λ в зависимости
от давления р
N
i
i+1
z= hh
1

2
N
58
При построении графика (рис. 4.4) рекомендуется следующий масштаб:
по горизонтали 10 мм – 0,025 МПа для р; по вертикали – 10 мм – 0,02 λZ.
Через точки графика 1 и 2 проводят прямую. Давление, соответствующее точке пересечения кривой с осью давления (см. рис. 4.4), равно структурной прочности грунта на сжатие рstr.
3. Вычисляют коэффициент пористости грунта еi при давлении рi по
формуле (4.10) или (4.16):
ei =eo - Δh /h·(1+ eo ).
4. Определяют коэффициент сжимаемости m0, МПа-1, по формуле (4.15)
в заданном интервале давлений рi и рi+1 с точностью 0,001 МПа-1 (рис. 4.4).
mo = tgα = (ei - ei+1 ) / ( pi+1-pi)
5. Модуль деформации Е, МПа, вычисляют в этом же интервале давлений по формуле (4.30) (выбор интервала давления описан выше при характеристике компрессионной кривой) с точностью 0,1 МПа:
E=((1+eo)/mo) ·β.
Коэффициент β, учитывающий отсутствие поперечного расширения
грунта, определяют по формуле (4.29):
Кроме одометров, для испытания грунтов на сжатие используют более
совершенные приборы, называемые стабилометрами (приборами трехосного
сжатия) (рис. 4.5). В них образец грунта цилиндрической формы подвергается испытанию в камере, стенки которой выполнены из резины толщиной 0,1 0,2 мм, герметически зажатой вверху и внизу в корпусе прибора. Дно камеры
представляет собой жесткий пористый диск, а верх - такой же диск, вмонтированный в поршень. Пористые диски служат для отвода воды, отжимаемой
из образца в процессе его деформации. Пространство между резиновой об олочкой и внутренней поверхностью прозрачного корпуса называется камерой
давления, во время опыта оно заполняется водой. Давление на образец передается поршнем, который нагружается специальным прессом. Перемещение
поршня под нагрузкой, равное вертикальной деформации образца, замеряется индикатором. Боковой распор образца измеряют манометром как давление
на воду в камере давления. Испытание будет соответствовать случаю сжатия
грунта в условиях невозможности его бокового расширения. При свободном
вытеснении воды из камеры давления произойдет сжатие при свободном боковом расширении грунта. Несомненным преимуществом трехосных испытаний является возможность одновременно определять комплекс характер истик механических свойств грунтов. Стабилометры, как правило, применя-
59
ются для определения характеристик прочности грунта, но они при необходимости используются для изучения деформационных свойств грунта.
N
9
9
8
1- образец грунта;
2 – резиновая оболочка;
3 – прозрачный корпус прибора;
4 – вода;
5 – пористый поршень;
6 – нижний пористый штамп;
7 – поддон;
8 – воздушная камера;
9 – индикаторы;
10 – манометр
5
4
1
2
3
10
6
7
Рис. 4.5. Схема стабилометра
Испытания образцов любых грунтов в стабилометре при обжатии их
наперед заданным боковым давлением более отвечают работе грунта в пр иродных условиях и дают наиболее надежные результаты.
Вначале на образец грунта в камере передается всестороннее давление,
затем, после затухания деформаций от всестороннего давления, дается осевая
нагрузка увеличивающимися ступенями до разрушения образца.
По данным испытаний определяют главные напряжения в момент разрушения образца и величину относительной продольной деформации. В пр еделах линейной зависимости между общими деформациями (продольными
или объемными) и приращением осевого давления определяются модуль о бщей деформации Eо и модуль объемной деформации Eоб, с помощью которых
определяется коэффициент относительной поперечной деформации (аналогичный коэффициенту Пуассона упругих тел).
Для сыпучих тел можно определить угол внутреннего трения по кругу
предельных напряжений (кругу Мора), который легко построить по значениям главных напряжений, полученных из одного опыта. Деформационные и
прочностные характеристики связного грунта в стабилометре определяют
испытанием нескольких образцов – близнецов грунта, по результатам кото-
60
рых строят круги предельных напряжений. Касательная к этим кругам позволяет определить параметры сопротивления грунта сдвигу φ и с.
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ГРУНТОВ МЕТОДОМ СДВИГА (СРЕЗА)
5.1. Прочностные характеристики грунтов
Под действием внешней нагрузки в грунтах оснований возникает
напряженное состояние, которое характеризуется нормальными и касательными напряжениями. Предельное значение касательных напряжений τ, при
которых начинается разрушение грунта, называется сопротивлением грунта
сдвигу τu. Если касательные напряжения превысят предельное сопротивление сдвигу, начинается разрушение грунта. Следовательно, прочность грунта
оценивается его сопротивлением сдвигу. Впервые это установил Ш. Кулон в
1773 году. Закон Кулона выражается линейной зависимостью
 u    tg  c ,
(5.1)
где τ u - предельное касательное напряжение;
σ- нормальное сжимающее напряжение;
φ – угол внутреннего трения грунта;
с – удельное сцепление между частицами грунта.
Сопротивление сдвигу в грунте обусловлено двумя физическими явлениями – трением перемещающихся частиц и сцеплением глинистого грунта,
обозначенными параметрами φ и с. Прочность грунтов и возникающие в них
сдвигающие деформации зависят от их плотности, влажности, гранулометрического и минерального состава, напряженного состояния.
Характеристики φ и с устанавливают зависимость предельного сдвигающего напряжения от нормального напряжения, поэтому они называются
прочностными показателями грунта и всегда определяются экспериментально. Для определения параметров φ и с производят лабораторные испытания
грунтов на сдвиговых приборах методом одноплоскостного среза.
Принципиальная схема сдвигового прибора представлена на рис. 5.1.
Образец грунта помещают в сдвиговой прибор и нагружают вертикальной нагрузкой N. После стабилизации вертикальных деформаций, которые регистрируются по индикатору 9, установленному на штампе, к образцу
прикладывают горизонтальную сдвигающую нагрузку Т и постепенно доводят ее до значения, при котором происходит срез по плоскости О–О. При
этом за горизонтальными деформациями грунта следят по индикатору 5,
установленному на верхней каретке прибора. Это свидетельствует о разр у-
61
шении образца грунта при заданном значении нормального сжимающего
напряжения σ.
4
8
9
2
N
5
6
Т
0
0
зазор 0.5-1.0 мм
1
7
3
1 – нижняя неподвижная обойма;
2 – верхняя сдвигаемая обойма;
3 – нижний пористый штамп;
4 – перфорированный поршень;
5- индикатор для регистрации
горизонтальных деформаций
образца;
6 – сдвиговая консоль;
7 – станина прибора;
8 – образец грунта;
9 – индикатор для регистрации
вертикальных деформаций образца;
0 – 0 плоскость сдвига;
N – вертикальная сила;
T – сдвиговое усилие
Рис. 5.1. Схема сдвигового прибора для испытания грунта на срез
Эти испытания грунта на срез позволяют найти значения нормальных и
касательных напряжений σ1 и τ1 и, подставив их в формулу (5.1), получить
 1   1  tg  c - одно уравнение с двумя неизвестными φ и с. Для того чтобы
решить это уравнение, необходимо провести еще одно испытание грунта на
срез при других нормальных напряжениях, чтобы получить  2   2  tg  c .
Имеем систему двух уравнений с двумя неизвестными, которая решается
 1   1  tg  c,

 2   2  tg  c.
Однако при двух испытаниях отсутствует возможность оценить надежность полученных результатов, в связи с чем выполняют не менее трех опытов с различными нормальными напряжениями σ 1, σ 2, σ 3 и находят им соответствующие величины τ1, τ2, τ3. На рис. 5.2 показаны результаты таких испытаний.
В настоящее время установлено, что природа сил сопротивления грунта
сдвигу сложна и разделение их на трение и сцепление является условным
[21; 28; 29]. Такое их наименование сложилось исторически.
62
Поэтому, учитывая, что многочисленные эксперименты хорошо подтверждают представленную уравнением (5.1) зависимость, считается целесообразным и в дальнейшем пользоваться указанными параметрами.
Очевидно, что чем больше при равных напряжениях σ значения φ и с,
тем более прочным является данный грунт.
Рис.5.2. Графики испытания грунта в сдвиговом приборе:
а) график горизонтальных деформаций образцов грунта
при разных значениях σ;
б) график сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта
Если обе части уравнения (5.1) разделить на σ, а отношение τ к σ обозначить через tgψ, то получим формулу
tgψ=tgφ+c/σ.
(5.2)
Величину tgψ называют коэффициентом сдвига. В грунтах, обладающих сцеплением, tg  tg . При с = 0 грунт представляет собой сыпучее тело и tg  tg . Хотя пески обычно обладают небольшим сцеплением.
В глинистых грунтах силу удельного сцепления с часто выражают через всестороннее давление связности ре , суммарно заменяющее действие
всех сил сцепления:
c=ре ·tg φ
(5.3)
Подставим это значение с в формулу (5.1), тогда закон Кулона запишется в следующем виде
 u  (  pе )  tg .
(5.4)
Давление связности понятие условное. Это такое давление, которое как
бы эквивалентно фиктивному увеличению нормального напряжения в плос63
кости сдвига, повышающему прочность грунта[29]. Замена с через ре показана на рис. 5.2 и выражается в переносе точки О в положение О1.
Испытания грунтов на срез в одноплоскостных сдвиговых приборах
показывают, что характер графиков τ=f(σ) для различных грунтов будет различный. На рис. 5.3 показаны характерные графики сдвиговых испытаний
для различных грунтов [23].
а)
б)


+c


=

tg
=c
C
C
t g

=

в)
0


0
0

Рис. 5.3. Графики сопротивления грунтов сдвигу:
а) для глинистых грунтов; б) для крупных песков;
в) для идеально связных грунтов
Согласно ГОСТ [11] испытания грунтов на сдвиг проводят по следующим схемам:
 консолидированно-дренированное испытание (КД – сдвиг) проводят
для песков и глинистых грунтов независимо от степени их влажности в стабилизированном состоянии (при завершенном уплотнении в условиях свободного отжатия воды из пор)
 неконсолидированно-недренированное испытание (НН – сдвиг) проводят для водонасыщенных глинистых и органоминеральных грунтов в нестабилизированном состоянии и просадочных грунтов, приведенных в водонасыщенное состояние замачиванием без приложения нагрузки (сдвиг при незавершенном уплотнении в условиях невозможности отжатия воды из пор).
Для испытания грунтов на сдвиг используют образцы ненарушенного
сложения с природной влажностью, а также образцы нарушенного сложения
с заданными значениями плотности и влажности (в том числе при полном
водонасыщении). Просадочные грунты испытывают в водонасыщенном с остоянии, а набухающие - при природной влажности.
Образцы грунта, отобранные для испытаний, должны иметь цилиндрическую форму диаметром не менее 70 мм и высотой от ⅓ до ½ диаметра.
64
Оборудование и приборы для испытания грунта на сдвиг
Существует большое разнообразие сдвиговых приборов и приборов
предварительного уплотнения грунтов перед их испытанием на срез [22; 30].
Поэтому результаты испытаний, произведенных на различных приборах, часто не сравнимы между собой [22; 30]. К приборам предъявляются следующие требования:
1. Сдвиговой прибор должен быть одноплоскостным. Площадь образца должна быть не менее 40 см2 (Д=7,14 см).
2. Прибор должен позволять испытывать образцы грунта ненарушенной и нарушенной структуры.
3. Конструкция прибора должна обеспечивать плавное нарастание
сдвигающих напряжений и равномерное распределение их в испытуемом
грунте.
4. Прибор должен позволять объективно судить о затухании деформаций грунта [11].
Всем этим требованиям удовлетворяет прибор конструкции Маслова –
Лурье в модернизации института «Гидропроект» - ГГП-30. Прибор состоит:
из рабочего стола, срезывателя, загрузочного устройства, обеспечивающего
передачу вертикального давления на образец грунта, подъемного ус тройства
подвижной панели и механизма для передачи горизонтального сдвигающего
усилия. Прибор монтируется на металлическом столе, который укреплен на
сварной станине. Он снабжен устройством для измерения как вертикальных,
так и горизонтальных деформаций образца грунта.
Конструкция срезного прибора обеспечивает первоначальное вертикальное давление на образец (от массы штампа и измерительных приборов на
нем) не более 0,025 МПа. При тарировке срезной обоймы, в соответствии с
паспортом на прибор, устанавливают поправки на преодоление трения подвижной части срезной обоймы, которые учитываются при срезе образцов
грунта.
Для определения прочностных характеристик φ и с необходимо иметь:
1 – сдвиговой прибор; 2 – прибор предварительного уплотнения грунта.
В состав уплотнителя должны входить следующие основные узлы:
-цилиндрическая обойма, в которую помещают рабочее кольцо с образцом;
-перфорированный штамп;
-механизм для вертикального нагружения образца;
-ванна, в которой проводится водонасыщение образца;
-устройство, с помощью которого осуществляется измерение вертикальных
деформаций образца.
При испытаниях образца грунта на сдвиг ведут журналы опытов
(табл.5.1 и 5.2).
65
Показания
индикаторов
вертикальных
деформаций
Вертикальная
деформация
образца,
Δh, мм
Относительное
сжатие,
h
Приращение деформаций
среза, Δl, мм
ι -Δ, мм
среза, ι, мм
Абсолютная деформация
среза с учетом поправки
на трение в приборе, l
Абсолютная деформация
Показания индикаторов деформаций среза
Касательное напряжение,
τ, МПа
Горизонтальная нагрузка,
Т, кН
Сжимающее напряжение,
σ, МПа
Время от начала опыта, t, ч
Время снятия отсчета, ti , ч
Журнал одноплоскостного среза грунта
Дата испытания
h
Таблица 5.2
Примечание
Давление
на образец,
р, МПа
Время
снятия
отчета,
ti , ч
Скорость деформаций
среза, V, мм/сутки
Дата
испытания
Масса груза на подвеске рычага, N,кг
Примечание
Таблица 5.1
Журнал предварительного уплотнения образцов грунта
Подготовка к испытанию грунта на срез в сдвиговом приборе
В срезной коробке прибора есть два кольца, одно из них малое высотой
h=15 мм и диаметром Д = 71,4 мм, площадью А = 40 см2, располагается в неподвижной обойме срезывателя. Другое большое кольцо высотой h=35 мм и
диаметром Д = 71,4 мм, площадью А = 40 см2, располагается в подвижной
обойме срезывателя (рис. 5.1). Кольца расположены одно над другим. Задача
исследователя заключается в том, чтобы отобрать образец грунта большим
кольцом, а затем передавить грунт из большого кольца в малое, так, чтобы он
располагался между этими кольцами, как показано на рис. 5.1. Затем специальным подъемным устройством прибора создать зазор между подвижной и
неподвижной обоймами и между кольцами h = 0,5 - 1 мм и произвести срез.
Для этого необходимо подготовиться к испытаниям:
1. Изготовленный образец грунта взвешивают и в зависимости от схемы испытаний и вида грунта приступают или к его предварительному уплотнению или сразу к испытанию на срез.
2. Предварительное уплотнение образца при консолидированнодренированном испытании проводят непосредственно в рабочем кольце
срезного прибора или в уплотнителе.
66
3. Готовят три образца ненарушенной структуры при естественной
влажности. Их уплотняют в приборе предварительного уплотнения при различных нормальных напряжениях σ1, σ2, σ3.
Рабочее кольцо с подготовленным образцом грунта помещают в обо йму уплотнителя, а затем собранную обойму устанавливают в ванну уплотнителя на перфорированный вкладыш. Предварительно торцы образца следует
накрыть влажными бумажными фильтрами Далее на образец устанавливают
перфорированный штамп, производят регулировку механизма нагрузки,
устанавливают приборы для измерения вертикальных деформаций грунта и
записывают в журнал (табл.5.1) их начальные показания. Всего должно быть
подготовлено 12 образцов – по 3 опытных образца и по одному запасному
образцу для каждого нормального напряжения.
4. Если по условиям испытаний требуется полное водонасыщение образцов, их замачивают, заполнив ванну уплотнителя водой.
5. При испытании просадочных грунтов, имеющих влажность меньше
влажности на границе пластичности WP, образцы доувлажняют до влажности, равной WP.
6. Время насыщения образцов водой должно быть не менее значений,
указанных в табл. 5.3 [11].
Таблица 5.3
Время насыщения образцов водой в зависимости от вида грунта
Грунты
Пески
Глинистые (непросадочные и ненабухающие):
супеси
cуглинки Jp <12%
cуглинки Jp ≥12%
глины Jp <22%
глины Jp ≥22%
Просадочные
Набухающие
Время насыщения
образцов водой
не менее
Время выдерживания ступеней
не
менее
10 мин
5 мин
Время условной
стабилизации
деформаций сжатия на конечной
ступени
20 мин
3ч
6ч
12 ч
12 ч
36 ч
Как для
непросадочных
До достижения
условной стабилизации деформации
набухания 0,1 мм
за 24 часа
5 мин
5 мин
30 мин
30 мин
30 мин
2ч
6ч
12 ч
12 ч
18 ч
30 мин
3ч
30 мин
Как для
ненабухающих
67
5.2. Методика проведения консолидированно-дренированного
испытания грунта на сдвиг (срез)
1. Перед тем как произвести срез грунта в сдвиговом приборе, три о бразца грунта при различных нормальных напряжениях уплотняют в приборе
предварительного уплотнения.
2. Уплотнение проводят (за исключением просадочных грунтов) при
нормальных напряжениях σ, для которых определяют сопротивление срезу τ.
Нормальные напряжения передают на образец грунта ступенями Δσ. Знач ения σ и Δσ приведены в табл. 5.4
Таблица 5.4
Значения нормальных напряжений и их ступеней при предварительном
уплотнении образцов в зависимости от вида грунта
Грунты
Нормальные напряСтупени
жения при предванапряжения,
рительном уплот∆σ, МПа
нении, σ, МПа
Пески средней крупности, плотные; глина с IL<0
Пески средней крупности и средней плотности; пески мелкие
плотные и средней плотности;
супеси и суглинки с IL≤0,5; глина
с 0<IL≤0,5
Пески средней крупности и мелкие рыхлые; пески пылеватые
независимо от плотности; супеси,
суглинки и глины с IL>0,5
0,1; 0,3; 0,5
0,1
0,1; 0,2; 0,3
0,05
0,1; 0,15; 0,2
0,025 до
р = и далее
0,05
Примечание: нормальное напряжение σ при предварительном
уплотнении образцов просадочного грунта, испытываемых в водонасыщенном состоянии, должно составлять 0,3 МПа и возрастать
ступенями Δσ=0,05МПа.
3. В отдельных случаях, предусмотренных программой испытаний,
могут назначаться более высокие нормальные напряжения по сравнению с
приведенными значениями в табл. 5.4. Если при заданных нормальных
напряжениях зависимость τ=f(σ) на начальном участке имеет нелинейный характер, значения σ должны быть изменены так, чтобы соблюдалась линейность указанной зависимости.
4. Каждую ступень напряжения при предварительном уплотнении выдерживают в течение времени, указанного в табл. 5.3.
68
5. В процессе предварительного уплотнения образцов грунта, при их
испытании в водонасыщенном состоянии и в период замачивания, в журнале
испытаний регистрируют вертикальные деформации образца. В конце каждой ступени нагружения записывают показания приборов для измерения деформаций, а на последней ступени фиксируют наступление условной стабилизации деформации сжатия образца грунта. При замачивании образцов
грунта вертикальные деформации следует фиксировать по окончании замачивания, а для набухающих грунтов фиксируют наступление условной стабилизации деформаций набухания (табл. 5.3).
6. После предварительного уплотнения, если оно проводилось в
уплотнителе, следует быстро разгрузить образец и перенести рабочее кольцо
с образцом в срезную коробку сдвигового прибора. Далее на грунт в кольце
устанавливают перфорированный штамп, производят регулировку механизма
нагрузки. В специальную выемку на верхней плоскости штампа кладут шарик, фиксирующий место приложения нагрузки и обеспечивающий ее вертикальность. Затем на поршень – штамп и шарик устанавливают верхнюю
траверсу загрузочного устройства и завершают сборку системы.
Создают зазор 0,5 – 1 мм между подвижной и неподвижной частями
срезной коробки, устанавливают измерительную аппаратуру – индикаторы
для регистрации вертикальных и горизонтальных деформаций образца грунта
и записывают их начальные показания в журнале испытаний (табл. 5.2).
Установка готова к опыту.
7. На образец грунта передают то же нормальное напряжения, при котором происходило предварительное уплотнение грунта, за исключением о бразцов просадочного грунта, испытываемого в водонасыщенном состо янии.
В этом случае нормальное напряжение при срезе должно составлять 0,1; 0,2;
0,3 МПа.
8. После передачи на образец нормальной нагрузки приводят в рабочее
состояние механизм создания горизонтальной нагрузки.
Секторный рычаг, создающий это усилие, перед началом опыта должен
быть заперт специальным стопором. Начинают опыт, освобождая стопор, а
затем укладывают на подвеску рычага первую нагрузку ΔТ=0,1N. Так как отношение плеч обоих рычагов одинаково n1=n2=10, то касательные напряжения τ=0,1σ. После нагружения грунта касательным напряжением производят
наблюдения за горизонтальными перемещениями верхней обоймы δ по индикатору. Наблюдения продолжают до стабилизации горизонтальных деформаций.
9. При передаче горизонтальной нагрузки ступенями их значение
должны составлять 5 % значения нормальной нагрузки, при которой производят срез. На каждой ступени нагружения записывают показания приборов:
для измерений деформаций среза через каждые 2 минуты, уменьшая интервал между измерениями до 1 минуты в период затухания деформации до ее
условной стабилизации. За критерий условной стабилизации деформации
69
среза принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин. При
непрерывно возрастающей горизонтальной нагрузке скорость среза должна
быть постоянной и соответствовать указанной в табл. 5.5. Деформации среза
фиксируют не реже чем через 2 минуты.
10. Испытания следует считать законченными, если при приложении
очередной ступени нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной ч асти образца по отношению к другой или общая деформация среза превышает
5 мм.
Таблица 5.5
Скорость среза в сдвиговом приборе в зависимости от вида грунта.
Грунты
Пески
Супеси
Суглинки
Глины с IL≤30%
Глины с IL>30%
Скорость среза, мм/мин
≤0,5
≤0,1
≤0,05
≤0,02
≤0,01
11. После этого производят разгрузку прибора, начиная с разгрузки грузов с подвески рычага горизонтальной нагрузки, а затем с рычага вертикальной нагрузки. Только тогда приступают к разборке установки – снимают
верхнюю траверсу, поршень и верхнюю обойму прибора. Грунт удаляют из
обоймы прибора и отбирают из него пробы для определения влажности из
зоны среза.
12. Завершение опыта с первым значением уплотняющей нагрузки N
позволяет перейти, как это указывалось выше, к опытам с другими значениями нормального напряжения σ2 и σ3. Каждый опыт выполняют с новым, подготовленным в той же последовательности образцом грунта.
5.3. Методика неконсолидированно-недренированного
испытания грунта
1. Рабочее кольцо с образцом грунта помещают в срезную коробку и
закрепляют в ней. Устанавливают штамп, производят регулировку механизма
нагрузки, устанавливают зазор 0,5 – 1 мм между подвижной и неподвижной
частями срезной коробки, устанавливают индикатор для измерения деформаций среза и записывают начальные показания в журнале (табл. 5.2.)
2. На образец грунта передают в одну ступень нормальное напряжение
σ, при котором будет произведен срез образца. Значения σ принимают по
табл. 5.6. Если при напряжениях 0,125 и 0,15 МПа происходит выдавливание
грунта в зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки,
необходимо их уменьшить на 0,025 МПа.
70
3. Сразу после приложения нормальной нагрузки приводят в действие
механизм горизонтальной нагрузки и производят срез образца грунта не б олее чем за 2 минуты. При передаче горизонтальной нагрузки ступенями их
значения не должны превышать 10 % значения нормального напряжения, при
котором производится срез (табл. 5.6), и приложение ступеней нагрузки
должно следовать через каждые 10 – 15 с. При передаче непрерывно возрастающей горизонтальной нагрузки скорость среза принимают 2 - 3 мм/мин,
так чтобы срез проходил в течение 2 мин.
4. Испытание считается законченным, если общая деформация среза
превысила 5 мм.
5. После окончания испытаний грунт разгружают и отбирают пробы
для определения влажности из зоны среза. Результаты испытаний регистр ируют в журнале (табл. 5.2.)
Таблица 5.6
Нормальные напряжения при срезе в зависимости от вида грунта
Грунты
Глинистые и органоминеральные
с показателем текучести
IL<0,5
0,5≤IL≤1,0
IL≥1,0
Нормальное напряжение, σ, МПа
0,1; 0,15; 0,2
0,05; 0,10; 0,15
0,025; 0,0
5.4. Обработка результатов испытаний
1. По значениям горизонтальной и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и σ по формулам
τ=Т/А,
(5.5)
σ=N/A,
(5.6)
где Т и N- соответственно горизонтальная и нормальная силы к плоскости
среза, кН; А – площадь среза, см2
Определение τ проводят не менее чем при трех различных значениях σ.
Из каждого значения τ вычисляют поправку за счет сил трения в приборе, по заранее построенной тарировочной кривой.
По измеренным в процессе испытания значениям деформаций среза δ ,
соответствующим различным касательным напряжениям τ, строят график зависимости δ = f(τ) (рис. 5.3).
71
За сопротивление грунта срезу принимают максимальное значение τ u,
полученное по графику δ = f(τ). Отрезок δ не должен превышать 5 мм (δ ≤
5 мм).
2. Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с определяют из
формулы (5.1).
Нормативные значения прочностных характеристик грунта φ и с
определяются не непосредственно из опытов, а после построения графиков
τu =σ·tgφ+c. Результаты серии опытов на сдвиг аппроксимируют прямой,
используя для обработки экспериментальных данных метод наименьших
квадратов. Тогда нормативные значения параметров прямой tgφn и сn нахо-
дятся по формулам
tg φn=
1 n
(n
 i1
τi σi-  τi  σi);
n
n
i 1
i 1
n
n
n
n
i 1
i 1
Сn= 1 (n τi  σi -  σi  τi σi),

2
i 1
i 1
(5.7)
(5.8)
где n - число экспериментов по определению предельного сопротивления
грунта сдвигу τi при нормальных напряжениях σi ; ∆ - общий знаменатель
этих выражений:
n
n
∆=n  σi - (  σi ) .
2
i 1
2
(5.9)
i 1
5.5. Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов
Грунт по своей природе – тело неоднородное. Определение какой- либо его характеристики по одному образцу дает только частное его знач ение.
Получаемые при проведении лабораторных исследований несколько характеристик тех или иных свойств грунтов обычно отличаются значительной
разбросанностью. Для возможности использования полученных характер истик в расчетах требуется располагать некоторыми определенными велич инами, которые достоверно отражают физико-механические характеристики
грунтов. В связи с этим различают нормативные и расчетные значения характеристик грунтов. Для определения нормативного и расчетного значений
требуются многократные нахождения этой характеристики и статистическая
обработка результатов экспериментов.
Для определения нормативной характеристики грунта находятся среднеарифметические значения результатов частных определений этой характеристики:
72
1 n
Õn   Xi ,
n i 1
(5.10)
где n - число определений характеристики (объем выборки);
Хi - частное (i- е) значение определяемой характеристики.
Из общей выборки подлежат исключению максимальные или минимальные значения Хi, для которых выполняется условие
X n  Õi   S dis
(5.11)
где ν - статистический критерий, зависящий от числа определений, Sdis- оценка среднего квадратичного отклонения:
S dis 
1 n
( X n  Õi ) 2 .

n  1 i 1
(5.12)
Если такие значения Хi отсутствуют, в качестве нормативной характеристики принимают среднее арифметическое значение Хn = Х . Из- за ограниченного количества определений нормативное значение характеристики
всегда отклоняется на какую- то неопределенную величину от истинного искомого значения (математического ожидания). Значит, нормативное значение
содержит некоторую погрешность. Чтобы снизить ее влияние, в расчетах используются не нормативные, а расчетные характеристики свойств грунтов.
Расчетная характеристика грунта Х определяется делением соответствующей
нормативной Хn на коэффициент надежности по грунту γg:
X=Xn / γg
(5.13)
Расчетные значения физических характеристик грунта, кроме плотности ρ и удельного веса грунта γ допускают принимать при γg = 1. Расчетные
значения ρ и γ находят аналогично прочностным характеристикам грунта.
Следует помнить, что расчетное значение удельного веса устанавливается по
расчетному значению плотности грунта умножением её на ускорение свободного падения. Расчетные деформационные характеристики грунта допускается принимать равными их нормативным значениям. При этом определение модуля деформации грунта в лабораторных условиях должно проводиться не менее чем по шести образцам, а при полевых испытаниях штампами
можно ограничиваться тремя опытами, учитывая трудоемкость этих испытаний.
73
Нормативные значения угла внутреннего трения φn, удельного сцепления Сn и модуля деформации Еn допускается принимать по таблицам
СНиП 2.02.01-83[25].
Расчетные значения прочностных характеристик и плотности грунта
определяются по формуле (5.15), где коэффициент надежности по грунту
устанавливается в зависимости от изменчивости этих характеристик и вычисляется из выражения
γg =1/(1 ± δ),
(5.14)
где δ- доверительный интервал, характеризующий область вокруг среднего
значения (в данном случае - среднего арифметического), в пределах которого
с заданной вероятностью α находится «истинное» (генеральное) среднее значение. Знак перед показателем δ выбирается так, чтобы обеспечить большую
надежность расчета.
Для tgφ и с
δ=tα V,
для ρ
δ=tα V/
(5.15)
n,
(5.16)
где tα - коэффициент, зависящий от заданной вероятности (надежности) α и
числа определений n;
V - коэффициент вариации определяемой характеристики, который вычисляется по формуле
V=σ/Xn,
(5.17)
где Хn - нормативное значение характеристики;
σ - среднее квадратичное отклонение, определяемое:
σtgφ =στ n /  ;
для tgφ и с
σс = στ
1

(5.18)
n
 i ,
2
(5.19)
i 1
n
2
где στ= 1/(n  2) ( i tgn  cn   i ) ;
i 1
74
(5.20)
Δ - определяют по формуле (5.11).
Для ρ
σ=
1 n
( Õn  Õi ) 2

n  1 i 1
.
(5.21)
Зная показатель δ для определяемой расчетной характеристики, по
формуле (5.16) рассчитывают коэффициент надежности по грунту и по формуле (5.15) определяют расчетные характеристики грунта.
При расчетах по первой группе предельных состояний (по несущей
способности) расчетные характеристики определяют:
при доверительной вероятности α=0,95 и обозначают как tgφΙ, сΙ, ρΙ;
при расчетах по второй группе предельных состояний (по деформациям) при α = 0,85 и обозначают как tgφΙΙ, СΙΙ, ρΙΙ. Такое различие объясняется
тем, что потеря устойчивости грунта опаснее осадки. Принятые доверительные вероятности означают, что в первом случае только 5 %, а во втором – 15
% значений частных определений будут больше или меньше принятого значения искомой характеристики.
Число частных определений характеристик n, по которым назначают
нормативные и расчетные значения характеристик, зависит от неоднородности грунта и степени ответственности возводимого сооружения. Для статистической обработки требуется не менее шести испытаний. Для получения
более достоверного значения требуется большее количество опытов: чем оно
больше, тем меньше значения tα и δ, соответственно сужается доверительный
интервал, т.е. значения искомой характеристики будет в большей степени
приближаться к действительному.
Расчетные значения механических характеристик принимают при следующих значениях коэффициента надежности по грунту:
в расчетах оснований по деформациям γg =1;
в расчетах оснований по несущей способности:
для удельного сцепления γg(с)=1,5;
для угла внутреннего трения песчаных грунтов γg(φ)=1,1;
то же глинистых грунтов γg(φ)=1,15.
Для отдельных регионов допускается пользоваться региональными
таблицами характеристик грунтов, специфических для этих районов, приведенными в территориальных строительных нормах.
75
Заключение
Снижение стоимости строительства и повышение надежности оснований и фундаментов зависят от правильной оценки физико-механических
свойств грунтов, слагающих основания. Эта оценка способствует рациональному выбору конструкций фундаментов или способов улучшения строительных свойств грунтов оснований, что дает возможность строительства любых
сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.
Опыт свидетельствует, что качественное проведение исследований физико-механических свойств грунтов позволяет повысить их расчетные характеристики и снизить стоимость работ нулевого цикла до 25 %.
Следует отметить, что характеристики грунтов, в первую очередь механические, определяемые в лабораторных условиях на образцах, не всегда в
полной мере отражают свойства грунтов в условиях их природного состо яния. Поэтому при проектировании ответственных сооружений необходимо
наряду с лабораторными проводить полевые испытания грунтов в условиях
их природного залегания.
Методы исследования свойств грунтов постоянно развиваются и с овершенствуются. Однако не нужно увлекаться использованием сложных
приборов и методов испытания грунтов, когда в этом нет необходимости. Часто оказывается достаточным применение относительно простых схем исследования грунтов. Здесь очень важно понимать решаемую задачу и знать во зможности тех или иных методов определения физико-механических свойств
грунтов.
Необходимо помнить, что важные результаты можно во многих случаях получить и на простом оборудовании, что эти результаты в большой степени зависят от правильной методики испытаний. И даже на превосходном
оборудовании, но при дефектной методике будут получаться совершенно непригодные результаты.
При определении механических характеристик грунтов необходимо
строго соблюдать режим испытаний, прежде всего характер нагружения о бразцов. Важно всегда учитывать соответствие испытываемых образцов грунта его состоянию в условиях натуры, от чего во многом будет зависеть достоверность полученных характеристик механических свойств грунтов.
Современный этап развития механики грунтов характеризуется активным переходом к новым расчетным моделям грунтов, отражающим с большей полнотой их реальные свойства.
Ряд традиционных методов экспериментального изучения свойств
грунтов не соответствует современным теоретическим моделям механики
грунтов. В связи с этим предстоит проделать значительную работу по пер еоснащению исследовательских лабораторий приборами и установками современных конструкций. Более сложные грунтовые модели требуют, естественно, и более сложных, трудоемких исследований грунтов.
76
Весьма большую помощь в оценке физико-механических свойств грунтов должны оказать геофизические методы исследований (сейсморазведка,
электроразведка, радиоактивные методы и т.д.).
Соотношения объемов лабораторных и полевых методов исследований
грунтов должно зависеть от целей и задач, стоящих перед изысканиями,
сложности инженерно-геологических и гидрогеологических условий и технических возможностей.
Авторы надеются, что данное учебное пособие поможет студентам
научиться правильно определять физико-механические характеристики грунтов и глубже усвоить лабораторные методы их определения.
Библиографический список рекомендуемой литературы
1. Абелев, Ю.М. Основы проектирования и строительства на просадочных
макропористых грунтах / Ю.М. Абелев, М.Ю. Абелев. М., 1979 , 272 с.
2. Абелев, М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания
сооружений / М.Ю. Абелев. М., 1983, 286 с.
3. Абелев, М.Ю. Строительство зданий и сооружений в сложных грунтовых
условиях / М.Ю. Абелев и др. М., 1986, 103 с.
4. Алексеев, В.М. Проектирование оснований и фундаментов сельскохозяйственных зданий и сооружений / В.М. Алексеев, Калугин П.И. Воронеж:
изд-во ВГУ, 2001, 528 с.
5. Алексеев, В.М. Фундаменты зданий и подземных сооружений / В.М. Алексеев, П.И. Калугин / Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т, 2005, 324 с.
6. Ананьев, В.П. Лессовые породы как основания зданий и сооружений / В.П
Ананьев. Ростов, 2000, 206 с.
7. Гольдштейн, М.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты / М.Н. Гольдштейн, А.А. Царьков, И.И. Черкасов. М., 1981, 316 с.
8. Васильев, А.М. Основы современной методики и техники лабораторных
определений физических свойств грунтов / А.М. Васильев. М., 1953, 200 с.
9. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М., 1996.
10. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических
характеристик. М., 1986.
11. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М., 1997.
12. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. М., 1988.
13. ГОСТ 22733-77. Грунты. Методы лабораторного определения максимальной плотности. М., 1978.
14. ГОСТ 23161-78. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик просадочности. М., 1978.
77
15. ГОСТ 23740-79. Грунты. Методы лабораторного определения содержания
органических веществ. М., 1979.
16. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов
испытаний. М., 1996.
17. ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.
М., 1996.
18. Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты / Б.И. Долматов. Л., 1988,515с.
19. Далматов, Б.И. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений / Б.И. Долматов. М., 1999, 340 с.
20. Долгих, М.А. Механика грунтов, основания и фундаменты / М.А. Долгих,
Р.С. Шеляпин. М., 1983, 87 с.
21. Лалетин, Н.В. Основания и фундаменты / Н.В. Лалетин. М., 1964, 380 с.
22. Ламтадзе, В.Д. Методы лабораторного исследования физикомеханических свойств песчаных и глинистых грунтов / В.Д. Ламтадзе. М.,
1952, 234 с.
23. Мулин, В.И. Механика грунтов для инженеров-строителей / В.И. Мулин.
М., 1978, 118 с.
24. Мустафьев, А.А. Фундаменты на просадочных и набухающих грунтах /
А.А. Мустафьев. М., 1989, 590 с.
25. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП
2.02.01-83). М., 1986, 412 с.
26. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов
зданий и сооружений. М., 2005, 130 с.
27. СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М., 1997. 43 с.
28. Ухов, С.Б. Механика грунтов, основания и фундаменты / С.Б.Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский, З.Г. Тер-Мартиросян, С.Н. Чернышев. М., 2002, 568 с.
29. Цытович, Н.Н. Механика грунтов / Н.Н. Цытович. М., 1983, 280 с.
30. Чаповский, Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике
грунтов / Е.Г. Чаповский. М.,1968, 232 с.
31. Швецов, Г.И. Основания и фундаменты : справочник / Г.И. Швецов. М.,
1991, 383 с.
78
Приложение 1
Нормативные значения прочностных и деформационных
характеристик грунтов
Таблица П.1.1
Нормативные значения удельного сцепления Сn, кПа (кгс/см2),
угла внутреннего трения φn, град, и модуля деформации Е, МПа (кгс/см2),
песчаных грунтов четвертичных отложений
Наименование
песчаных
грунтов
Гравелистые
и крупные
Средней
крупности
Мелкие
Пылеватые
Обозначения
характеристик
грунтов
Сn
φn
Е
Сn
φn
Е
Сn
φn
Е
Сn
φn
Е
Характеристики грунтов при коэффициенте
пористости е, равном
0,45
0,55
0,65
0,75
2(0,02)
1(0,01)
43
40
38
-
3(0,03)
40
50(500)
6(0,06)
38
2(0,02)
38
40(400)
4(0,04)
36
1(0,01)
35
30(300)
2(0,02)
32
28
8(0,08)
36
39(390)
6(0,06)
34
28(280)
4(0,04)
30
18(180)
2(0,02)
26
11(110)
Примечание: Если значение е грунтов выходит за пределы, предусмотренные таблицей, характеристики Сn φn и Е следует определять по данным
непосредственных испытаний.
79
Таблица П.1.2
Нормативные значения удельного сцепления Сn, кПа (кгс/см2),
угла внутреннего трения φn, град, глинистых нелёссовых грунтов
четвертичных отложений
Супеси
Наименование
грунтов и пределы нормативных
значений
их показателей
текучести
0≤JL≤0,25
Обозначения
характеристик
грунтов
0,45
0,55
0,65
0,75
φn
21
(0,21)
30
19
(0,19)
28
47
(0,47)
26
39
(0,39)
24
17
(0,17)
29
15
(0,15)
26
37
(0,37)
25
34
(0,34)
23
Сn
-
-
φn
-
Сn
-
φn
-
81
(0,81)
21
Сn
-
-
φn
-
-
Сn
-
-
φn
-
-
15
(0,15)
27
13
(0,13)
24
31
(0,31)
24
28
(0,28)
22
25
(0,25)
19
68
(0,68)
20
57
(0,57)
18
45
(0,45)
15
13
(0,13)
24
11
(0,11)
21
25
(0,25)
23
23
(0,23)
21
20
(0,20)
18
54
(0,54)
19
50
(0,50)
17
41
(0,41)
14
Сn
φn
0,5<JL≤0,75
Сn
φn
Суглинки
0<JL≤0,25
0,5<JL≤0,75
0<JL≤0,25
Глины
Сn
φn
0,25<JL≤0,5
0,25<JL≤0,5
0,5<JL≤0,75
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е,
равном
Сn
80
0,85
0,95
1,05
-
-
-
-
-
-
9(0,09)
-
-
18
22
(0,22)
22
18
(0,18)
19
16
(0,16)
16
47
(0,47)
18
43
(0,43)
16
36
(0,36)
12
19
(0,19)
20
15
(0,15)
17
14
(0,14)
14
41
(0,41)
16
37
(0,37)
14
33
(0,33)
10
12
(0,12)
12
36
(0,36)
14
32
(0,32)
11
29
(0,29)
7
Приложение 2
Расчетные сопротивления грунтов оснований
Таблица П.2.1
Расчетное сопротивление R0 крупнообломочных грунтов
Крупнообломочные
грунты
Галечниковые
(щебенистые)
с заполнителем:
песчаным
с глинистым
при показателе
текучести:
IL<0,5
0,5<IL≤0,75
Значения R0,
кПа
Крупнообломочные
грунты
Гравийные
(дресвяные)
с заполнителем:
песчаным
с глинистым
при показателе
текучести:
IL<0,5
0,5<IL≤0,75
600
450
400
Значения R0,
кПа
500
400
350
Таблица П.2.2
Расчетное сопротивление R0 песчаных грунтов
Пески
Крупные
Средней крупности
Мелкие:
маловлажные
влажные и насыщенные
водой
Пылеватые:
маловлажные
влажные
насыщенные водой
Значения R0, кПа,
в зависимости от плотности сложения песков
плотные
средней плотности
600
500
500
400
400
300
300
200
300
250
200
150
150
100
Таблица П.2.3
Расчетное сопротивление R0 глинистых (непросадочных) грунтов
Пылеватоглинистые грунты
Супеси
Суглинки
Глины
Коэффициент
пористости, е
0,5
0,7
0,5
0,7
1,0
0,5
0,6
0,8
1,1
Значения R0, кПа, при показателе текучести
IL=0
IL=1
300
300
250
200
300
250
250
150
200
100
81
Таблица П.2.4
Расчетные сопротивления R0 глинистых просадочных грунтов
Значения R0, кПа , просадочных грунтов
природного сложения
уплотненных, с плотностью
с плотностью
в сухом состоянии ρd,
в сухом состоянии ρd,
m/м3
m/м3
1,35
1,55
1,0
1,7
300
350
200
250
150
180
350
400
300
250
180
200
Грунты
Супеси
Суглинки
Примечание. В числителе - значения R0 ,относящиеся к незамоченным
грунтам с Sr≤0,5; в знаменателе - R0 , относящиеся с таким же грунтам
и Sr≥0,8, а также к замоченным просадочным грунтам.
Таблица П.2.5
Расчетные сопротивления R0 насыпных грунтов
Характеристика
насыпи
Насыпи, возведенные
с уплотнением
Отвалы грунтов:
с уплотнением
без уплотнения
Свалы грунтов:
с уплотнением
без уплотнения
Значения R0 , кПа
Пески крупные, средней
Пески пылеватые,
крупности и мелкие и т.п.
супеси, суглинки и т.п.
при S r
при Sr
Sr ≤0,5
S r ≥0,8
Sr <0,5
Sr ≥0,8
250
200
180
150
250
200
180
150
180
150
120
100
150
120
120
100
120
100
100
80
Примечание. Для неслежавшихся отвалов и свалок грунтов и отходов
производств значения Ro принимают с коэффициентом 0,8.
82
Приложение 3
Гранулометрическая классифиция грунтов
Разновидность
грунта
Глина
Суглинок тяжелый
Суглинок средний
глинистых
< 0,005 мм
> 30
30 - 20
20 - 15
Суглинок средний
пылеватый
Суглинок легкий
20 - 15
15 - 10
Суглинок пылеватый
15 - 10
Содержание частиц, %
пылеватых
песчаных
< 0,005 – 0,05
< 0,05 – 2,0 мм
мм
Больше, чем
пылеватых
Больше, чем
песчаных
-
Супесь тяжелая
10 - 6
Больше, чем
песчаных
-
Супесь
мелкозернистая
10 - 6
-
Супесь тяжелая
пылеватая
Супесь легкая
10 - 6
6-3
Больше, чем
песчаных
-
Супесь легкая
мелкозернистая
6-3
-
6-3
<3
Больше, чем
песчаных
-
<3
-
Супесь легкая
пылеватая
Песок
Песок
мелкозернистый
83
Больше, чем
пылеватых
Больше, чем пылеватых.
Преобладают частицы 2
– 0,25 мм
Больше, чем пылеватых.
Преобладают частицы
0,25 – 0,05 мм
Больше, чем пылеватых.
Преобладают частицы
2 – 0,25 мм.
Больше, чем пылеватых.
Преобладают частицы
0,25 – 0,05 мм
Больше, чем пылеватых.
Преобладают частицы
2 – 0,25 мм
Больше, чем пылеватых.
Преобладают частицы
0,25 – 0,05 мм
Основные буквенные обозначения
Приложение 4
Коэффициенты надежности
γf – по нагрузке;
γm – по материалу;
γg – по грунту;
γn – по назначению сооружения;
γc – коэффициент условий работы.
Характеристики грунтов
X - среднее значение характеристики;
X n - нормативное значение;
X - расчетное значение;
 - доверительная вероятность (обеспеченность) расчетных значений;
 S - плотность частиц грунта;
 - плотность;
 d - плотность в сухом состоянии;
 bx - плотность обратной засыпки;
e - коэффициент пористости;
W - природная влажность;
W P - влажность на границе пластичности (раскатывания);
WL - влажность на границе текучести;
Weq - конечная (установившаяся) влажность;
Wsat - влажность, соответствующая полному водонасыщению;
WSL - начальная просадочная влажность;
WSW - влажность набухания;
Wsh - влажность на пределе усадки;
Sr - коэффициент водонасыщения (степень влажности);
I P - число пластичности;
I L - показатель текучести;
γ – удельный вес;
γs – удельный вес частиц грунта;
γd – удельный вес в сухом состоянии;
γsb – удельный вес с учетом взвешивающего действия воды;
PSl - начальное просадочное давление;
PSW - давление набухания;
 Sl - относительная деформация просадочности;
 SW - относительное набухание;
84
 sh - относительная линейная усадка;
 rf - относительное суффозионное сжатие;
I om - относительное содержание органического вещества;
D Pd - степень разложения органического вещества;
С – удельное сцепление;
φ – угол внутреннего трения;
Е – модуль деформации;
ν – коэффициент Пуассона;
RC – предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов;
СV – коэффициент консолидации.
Нагрузки, напряжения, сопротивления
F – сила, расчетное значение силы;
f – сила на единицу длины;
FV ,Fh – вертикальная и горизонтальная составляющая силы;
FS,а и FS,r – силы, действующие по плоскости скольжения соответственно
сдвигающие и удерживающие (активные и реактивные);
N – сила нормальная к подошве фундамента;
n – сила нормальная к подошве фундамента на единицу длины;
G – собственный вес фундамента;
q – равномерно распределенная вертикальная пригрузка;
р – среднее давление под подошвой фундамента;
σ – нормальное напряжение;
τ – касательное напряжение;
u – избыточное давление в поровой воде;
σz – полное вертикальное нормальное напряжение;
σzg – то же, от собственного веса грунта;
σzр – то же, от внешней нагрузки (давления фундамента);
R – расчетное сопротивление грунта основания;
R0 – расчетное сопротивление грунта основания для предварительного
назначения размеров фундаментов;
Fu – сила предельного сопротивления основания, соответствующая исчерпанию его несущей способности.
Деформации оснований и сооружений
S – абсолютная осадка основания отдельного фундамента;
S - средняя осадка основания сооружения;
S sl - просадка;
h SW - подъем основания при набухании грунта;
S sh - осадка основания в результате высыхания набухшего грунта;
ΔS – разность осадок (просадок);
i – крен фундамента (сооружения);
85
υ– относительный угол закручивания;
un – горизонтальное перемещение;
Su - предельное значение деформации основания;
Sus - то же, по технологическим требованиям;
Suf - то же по условиям прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций.
Геометрические характеристики
в – ширина подошвы фундамента;
В – ширина подвала;
ВW – ширина источника замачивания(замачиваемой площади);
l – длина подошвы фундамента;

l
- отношение сторон подошвы фундамента;
b
А – площадь подошвы фундамента;
L – длина здания;
d – глубина заложения фундамента;
db – глубина подвала от уровня планировки;
df, dfn – расчетная и нормативная глубина сезонного промерзания грунта;
dw – глубина расположения уровня подземных вод;
d
  - относительное заглубление фундамента;
в
h – толщина слоя грунта;
Hc – глубина сжимаемой толщи;
Н – толщина линейно-деформируемого слоя;
Hsl – толщина слоя просадочных грунтов(просадочная толща);
hsl – толщина зоны просадки;
hsl,р – то же, от внешней нагрузки;
hsl,g – то же, от собственного веса грунта;
Hsw – толщина зоны набухания;
Hsh – толщина зоны усадки;
z – глубина (расстояние) от подошвы фундамента;
2z

- относительная глубина;
в
DL – отметка планировки;
NL – отметка поверхности природного рельефа;
FL – отметка подошвы фундамента;
ВС – нижняя граница сжимаемой толщи;
В.SL – то же, просадочной толщи;
B.SW – нижняя граница зоны набухания;
B.SH – то же, зоны усадки;
WL – уровень подземных вод.
86
Приложение 5
Таблица соотношений между некоторыми единицами физических
величин в системах МКГСС и СИ
Таблица П.5.1
Наименование
величины
Единица
подлежащая изъятию
наименование
обозначение
Сила,
нагрузка
вес
Вес
килограмм-сила
тонна-сила
грамм-сила
кгс
тс
гс
Линейная
нагрузка
килограмм-сила
на метр
кгс/м
Поверхностная нагрузка
килограмм-сила
на квадратный
метр
Давление
Механическое напряжение
Модуль продольной
упругости,
модуль сдвига, модуль
объемного
сжатия
Момент силы
Момент пары
сил
Работа
(энергия)
Количество
теплоты
Мощность
килограмм-сила
на квадратный
сантиметр
миллиметр водяного столба
миллиметр
ртутного столба
килограмм-сила
на квадратный
миллиметр
килограмм-сила
на квадратный
сантиметр
кгс/м2
обозначе
чение
ньютон
Н
ньютон на метр
Н/м
ньютон на
квадратный
метр
Н/м2
2
кгс/см
Н/см
паскаль
мм вод.ст.
Па
мм рт.ст.
Соотношение
единиц
1 кгс =9,8 Н  10 Н
1 тс = 9,8·103 Н 
 10 кН
1 гс = 9,8·10-3 Н 
 10 мН
1 кгс/м =10 Н/м
1 кгс/м 2 =10 Н/м 2
1 кгс/м 2 =9,8·104 Па =
= 105 Па=0,1 МПа
1 мм вод.ст. =
=9,8 Па = 10 Па
1 мм рт.ст.=133,3 Па
2
кгс/мм
паскаль
Па
1 кгс/мм2 = 9,8·106 Па=
= 107 Па =10 МПа
кгс/см2
паскаль
Па
1 кгс/см 2 =9,8·104 Па=
= 105 Па = 0,1 МПа
кгс·м
килограммсила- метр
калория, килокалория
калория
в секунду
наименование
2
килограмм-сила
на метр
килограммсила- метр
в секунду
лошадиная сила
СИ
ньютон-метр
Н·м
кгс·м
джоуль
Дж
кал,
ккал
джоуль
Дж
1 кг см =9,8 Нм 
 10 Нм
1 кг см = 9,8 Дж 
 10 Дж
1 кал = 4,2 Дж,
1 ккал= 4,2·103 Дж=
= 4,2 кДж
кгс·м/с
ватт
л.с
кал/с
Вт
1 кгс м/с = 9,8
Вт  10 Вт
1 л.с = 735,5 Вт
1 кал/с=4,2 Вт
87
Окончание табл.П.5.1
Удельная
теплоемкость
калория на
грамм-градус
Цельсия
килокалория на
килограммградус Цельсия
кал

г С
ккал

кг С
джоуль на килограмм кельвин
Дж
кг  К
кал
1

 4,2  10
г С
1
3 Дж
кг  К
ккал
Дж
 4 ,2

кг
К
кг С
Учебное издание
Владимир Михайлович Алексеев
Петр Иванович Калугин
Физико-механические свойства грунтов
и лабораторные методы их определения
Учебно-методическое пособие
для студентов, обучающихся по направлению
270100 «Строительство»
Редактор Аграновская Н.Н.
Подписано в печать 18.03. 2009 г. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 5.5.
Усл.-печ. л. 5,6. Бумага писчая. Тираж 360 экз. Заказ №
Отпечатано: участок множительной техники Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета
88
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября,84
89
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
152
Размер файла
2 120 Кб
Теги
физики, метод, грунтов, алексеева, свойства, определение, механической, лабораторная, 516
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа