Компрессионные испытания грунтов

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Методические указания

к выполнению лабораторных работ для студентов,

обучающихся по направлению 653500 – Строительство

3-е издание, переработанное

Белгород 2006

УДК 624.121 (07)

ББК 38.58Я7

М55

Составители Черныш А.С., к.т.н., доцент

Калачук Т.Г., к.т.н., доцент

Рецензент Кафтаева М.В., к.т.н., доцент

Механика грунтов: Методические указания. – 3-е изд.,

М55 перераб. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006 – 42 с.

В издании изложены методики выполнения семи лабораторных работ по курсу «Механика грунтов». Приведены таблицы СНиП 2.02.01 для определения механических характеристик грунтов и ГОСТ 25100-95 для определения разновидностей дисперсных грунтов.

Предназначены для студентов специальностей 290300, 290500, 290600, 290700.

УДК 624.121(07)

ББК 38.58Я7

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, 2006

Лабораторная работа №1

Определение значений прочностных и деформационных характеристик грунтов по таблицам СНиП 2.02.01-95

Цель работы: определение физических характеристик грунтов и нормативных значений угла внутреннего трения j, удельного сцепления С, модуля деформации Е грунтов.

Содержание работы

Физические свойства грунтов

Основные:

1. Удельный вес природного грунта g равен отношению массы грунта к занимаемому этим грунтам объему умноженному на ускорение свободного падения g

g = r g. (1)

Если обозначить V ₁ — объем твердых частиц; V₂ — объем пустот (пор), g₁ — масса твердых частиц; g₂ — масса воды в порах грунта то,

r = (g₁+g₂)/(V₁+V₂). (2)

2. Удельный вес частиц грунта g_s — показатель минералогического состава

g_s= (g₁/V₁)×g. (3)

3. Влажность грунта W — отношение массы воды к массе высушенных частиц (твердых частиц)

W = g₂/g_1. (4)

Дополнительные:

1. Граница текучести W _l соответствует влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние. Эту влажность определяют стандартным испытанием при котором конус с углом при вершине 30⁰и массой 76 г. погружается в грунт на 10 мм.

2. Влажность на границе раскатывания W _р соответствует влажности, при которой грунт теряет свою пластичность. Определяют раскатыванием жгута из грунта по бумаге.

Производные:

1. Удельный вес сухого грунта g_d — отношение массы твердых частиц ко всему объему умноженному на ускорение свободного падения q

g_d= [g₁/V₁+ V₂]·q. (5)

2. Коэффициент пористости е — отношение объема пор грунта n к объему его скелета m

e = n/m (6)

или

e = (ρ_s – ρ_d)/ ρ_d_. (7)

По коэффициенту пористости можно определить степень уплотненности грунтов. Если e < 1, то грунт достаточно плотный; e > 1 - то грунт рыхлого сложения

3. Удельный вес сухого грунта g_d

g_d= ρ/[(1+W)] q. (8)

4. Удельный вес грунта взвешенного в воде g_s_в

При распределения грунта ниже уровня грунтовых вод скелет грунта будет испытывать взвешивающее действие воды, что необходимо учитывать при расчетах напряженного состояния грунтов.

g_св = (ρ_s – ρ_w) × q/(1+е). (9)

Классификационные:

1. Индекс пластичности I_р (число пластичности) — показатель содержания глинистых частиц в грунте.

I_р= W_L - W_р _. (10)

Классификация глинистых грунтов в зависимости от числа пластичности приведена в таблице 1.

Таблица 1 — Классификация глинистых грунтов по числу пластичности

Виды глинистых грунтов	Число пластичности I_р
Супесь	0,01≤ I_р ≤0,07
Суглинок	0,07≤ I_р ≤0,17
Глина	0,17< I _р

I_L = (W - W_р)/(W_L - W_р). (11)

Уплотненность глинистых грунтов определяют консистенцией, под которой понимаем густоту, вязкость глинистых грунтов (плотность сложения), способность грунтов сопротивляться пластическому изменению формы. Консистенция зависит от количественного соотношения твердых частиц и воды в единице объема (таблица 2).

Таблица 2 — Классификация глинистых грунтов по индексу текучести

Виды глинистых грунтов	Показатель консистенции I _L
СУПЕСИ
Твердые	I_L < 0
Пластичные	0 ≤ I_L ≤1
Текучие	1 < I_L
СУГЛИНКИ И ГЛИНЫ
Твердые	I_L < 0
Полутвердые	0 I≤ I_L ≤ 0,25
Тугопластичные	0,25 < I_L ≤ 0,5
Мягкопластичные	0,5 < I_L ≤ 0,75
Текучепластичные	0,75 < I_L ≤ 1
Текучие	1 < I_L

3. Коэффициент водонасыщения (степень влажности) S_r — это отношение природной влажности грунта к его полной влагоемкости

S_r = . (12)

Порядок выполнения работы

Исходные данные: геологическая колонка, таблица основных и дополнительных характеристик и гранулометрического состава грунтов. Данные приведены в таблицах 3 —6.

Геологический разрез с основными физическими характеристиками всех слоев грунта студентам предлагается составить самостоятельно в соответствии с индивидуальным шифром. Шифр студент определяет по четырем последним цифрам номера зачетной книжки. Например, номер зачетной книжки 360729, шифр 0729. По последней цифре шифра из таблицы 3 выбрать соответствующую строку (для примера — строка 9, супесь серовато-желтая). По предпоследней цифре выбрать соответствующую строку из таблицы 4 (для примера — строка 2, суглинок темно-бурый), по второй цифре — из таблицы 5 (для примера — строка 7, глина светло-бурая), по первой цифре — из таблицы 6 (для примера — строка 0, глина коричневая). По данным взятым из таблиц сформировать геологический разрез.

Рекомендации к выполнению задания

По числовым данным, принятым для соответствующих слоев, вычислить следующие производные характеристики:

удельный вес грунта в естественном состоянии - g;

плотность в сухом состоянии - r_d;

коэффициент пористости - е;

удельный вес с учетом взвешивающего действия воды - g _sb;

число пластичности - I _P;

показатель текучести - I _L;

степень влажности - S _r.

Определение разновидностей грунтов производить по приложениям А, Б. По результатам работы составить сводную таблицу физико-механических характеристик (таблица 7). Механические характеристики принять по таблицам 3 – 6.

Таблица 3 — Данные, принимаемые по последней цифре шифра

Цифра шифра Условное обозначение грунта Описание грунта Мощность слоя, м Физико-механические характеристики грунтов

Гранулометрический состав в % (по массе) при диаметре частиц в мм r_s т/м³ r т/м³ W W_L W_p m₀

2,0 - 0,5 0,5 - 0,25 0,25 - 0,10 0,10 - 0,005 <0,005

Суглинок желто-бурый 3,3 10,0 5,0 16,0 20,0 49,0 2,72 1,69 0,19 0,30 0,19

Глина бурая 2,0 20,0 1,0 15,0 47,0 17,0 2,72 1,76 0,26 0,42 0,23

Супесь зелено-бурая 3,5 1,0 6,0 10,0 64,0 19,0 2,74 1,84 0,20 0,28 0,12

Песок серо-бурый 3,9 19,0 23,0 29,5 18,5 10,0 2,67 1,89 0,3

Глина светло-бурая 2,0 10,0 1,0 27,0 41,0 21,0 2,65 1,91 0,40 0,44 0,24

Песок буро-серый 2,2 22,0 25,0 20,0 32,0 1,0 2,66 1,83 0,15

Супесь желто-бурая 2,5 3,0 11,0 36,5 44,0 5,5 2,68 1,89 0,15 0,19 0,12

Песок серый 2,2 2,8 9,5 76,9 10,6 0,2 2,66 2,0 0,25

Глина коричневая 4,0 0,4 0,2 0,6 24,4 74,6 2,74 2,0 0,27 0,41 0,23

Супесь серовато-желтая 3,9 0,1 2,1 6,6 81,4 9,8 2,67 1,97 0,16 0,20 0,13

Таблица 4 — Данные, принимаемые по предпоследней цифре шифра

Суглинок светло-желтый 4,1 0,5 1,5 7,0 80,0 11,0 2,66 1,73 0,23 0,28 0,18

Глина красно-бурая 6,0 0,5 0,5 4,0 64,0 31,0 2,75 2,0 0,27 0,40 0,20

2 Суглинок темно-бурый 3,5 1,0 2,0 51,0 24,0 12,0 2,71 1,98 0,27 0,24 0,14

Суглинок темно-бурый 3,5 13,0 14,0 17,0 31,0 25,0 2,69 1,98 0,21 0,24 0,14

Суглинок светло-бурый 1,7 2,5 5,0 20,0 47,0 25,5 2,71 1,82 0,22 0,32 0,18

Суглинок желто-бурый 2,8 10,0 10,0 15,0 49,0 20,0 2,70 1,87 0,26 0,32 0,19

Супесь зелено-бурая 2,5 14,0 20,0 30,0 29,0 7,0 2,69 2,10 0,19 0,21 0,15

Песок зелено-бурый 2,6 17,0 23,0 40,0 19,0 1,0 2,66 1,98 0,26

Глина бурая 5,4 1,0 3,0 9,0 56,0 31,0 2,74 2,00 0,27 0,43 0,23

Песок желтый 3,2 18,2 20,0 45,0 16,2 0,6 2,66 1,7 0,12

Таблица 5 — Данные, принимаемые по второй цифре шифра

Суглинок красно-бурый 3,8 0,8 1,2 13,0 67,0 18,0 2,71 1,98 0,27 0,32 0,19

Песок желтый 2,8 27,0 29,0 39,0 4,8 0,2 2,66 2,00 0,25

Глина темно-серая 5,2 1,6 1,5 2,8 52,0 42,1 2,73 1,92 0,32 0,47 0,26

Суглинок желто-бурый 3,3 0,1 0,9 20,0 61,0 18,0 2,70 1,89 0,18 0,30 0,18

Глина бурая 2,0 0,5 0,5 2,0 55,0 42,0 2,74 1,99 0,39 0,53 0,30

Супесь зелено-бурая 3,4 1,0 8,0 8,0 75,0 8,0 2,67 1,83 0,15 0,16 0,10

Песок серо-бурый 4,0 27,5 28,5 10,0 8,0 2,66 1,87 0,29

Глина светло-бурая 2,0 1,0 1,0 2,0 54,0 42,0 2,74 1,99 0,35 0,44 0,24

Песок желтый 2,4 20,0 24,0 26,0 18,0 12,0 2,66 1,76 0,12

Супесь желтая 2,6 6,0 6,0 18,0 64,0 6,0 2,67 1,81 0,17 0,21 0,15

Таблица 6 — Данные, принимаемые по первой цифре шифра

Глина коричневая 3,8 3,0 2,0 5,0 53,0 37,0 2,74 1,98 0,34 0,44 0,24

Песок желтый 4,6 25,5 24,0 12,5 10,0 2,65 1,89 0,30

Суглинок светло-бурый 1,7 2,5 5,0 20,0 47,0 25,5 2,71 1,75 0,26 0,32 0,18

Суглинок желто-бурый 2,8 10,0 10,0 15,0 45,0 20,0 2,70 1,81 0,28 0,32 0,19

Супесь зелено-бурая 2,5 14,0 20,0 30,0 29,0 7,0 2,69 1,87 0,20 0,21 0,15

Песок зелено-бурый 2,6 46,0 42,0 6,0 4,0 2,0 2,66 1,79 0,20

Глина бурая 5,4 1,0 3,0 9,0 56,0 31,0 2,74 1,98 0,34 0,43 0,23

Песок серовато-желтый 3,2 4,0 4,0 45,0 43,0 4,0 2,69 1,79 0,20

Песок серовато-желтый 3,2 5,0 6,0 50,0 38,0 1,0 2,66 1,90 0,25

Глина коричнево-серая 4,0 0,5 0,5 5,0 62,0 32,0 2,75 2,00 0,27 0,40 0,20

Таблица 7 — Сводная таблица нормативных характеристик грунтов (пример)

Номер инженерно-геологического элемента Номер образца грунта Номер скважины Глубина, м Наименование грунта (по ГОСТ 25100-95) Физические Механические

Основные Дополнительные Производные и классификационные Деформационные Прочно-стные R₀, кПа

r_s_, т/м³ g_II _, кН/м³ W W_l W_p r_d, т/м³ e g_sb_, кН/м³ Ip I_L S_r E, кПа j_II, град С_II, кПа

0,3 Растительный 14,3

2,2 Суглинок полутвердый 2,68 18,9 0,20 0,31 0,18 1,57 0,71 9,8 0,13 0,11 0,75 --

4,6 Песок мелкий, средней плотности влажный 2,65 18,4 0,16 -- -- 1,58 0,68 9,8 -- -- 0,70 --

6,2 Глина твердая 2,74 19,5 0,21 0,49 0,24 1,61 0,87 -- 0,25 0,23 0,77

Примечание: Значения в таблице приведены ориентировочно

Лабораторная работа №2

Компрессионные испытания грунтов

Цель работы: определение характеристик сжимаемости грунтов.

Содержание работы

Компрессией называютсжатие образца грунтавертикально приложенным равномерно распределенным давлением в условиях,исключающих возможность боковых деформации.

Способом компрессии в одометре (рисунок 1) определяют коэффициент уплотнения (сжимаемости) грунта.

Рисунок 1 - Схема одометра: 1 — образец грунта, 2 - кольцо; 3 - фильтровальная бумага; 4 - штамп с отверстиями; 5 - поддон; 6 — жесткая обойма, 7 -индикаторы часового типа; 8 - центрирующий шарик

При испытании образец грунта находится в цилиндрическом кольце диаметром D. высотой Н. Сжатие происходит при свободном удалении воды из пор грунта через металлические штампы с отверстиями. В качестве критерия стабилизации осадки между моментами приложения нагрузки принят интервал времени, равный 4 минутам.

При выполнении учебной лабораторной работы величины давления можно принять следующие, кПа:

s₀ = 0; s₁ = 50; s₂ = 100; s₃ = 150.

После приложения ступени давления снимают показания индикаторов с интервалом, равным 1 мин., до выполнения условного критерия стабилизации осадки. Затем прикладывают следующую ступень давления и т.д. При проведении компрессионных испытаний грунта на приборах конструкции Гидропроекта исходные данные будут следующими:

высота образца грунта Н, мм........................................... 25

площадь образца А, см²..................................................... 60

диаметр D, мм....................................................................... 87,4

отношение плеч рычага, передающего

нагрузку п............................................................................... 1:10

Перед началом опыта должен быть назначен начальный коэффициент пористости грунта I₀ соответствующий давлению на образец s₀ = 0.

Порядок выполнения работы

1. Снимают подвеску с нагрузочного рычага прибора и одометр со станины и разбирают его.

2. Образец грунта отбирают режущим кольцом одометра. Для этого кольцо ставят острым краем на монолит грунта. Грунт вокруг кольца удаляют острым ножом, а кольцо легким нажимом постепенно вдавливают в грунт. После погружения кольца заключенный в нем грунт отделяют от монолита и зачитают вровень с краями кольца. С торцов кольца на поверхность грунта накладывают кружки фильтровальной бумаги.

3. Собирают одометр и устанавливают его на станину прибора. Собирают систему нагружения.

4. Устанавливают индикаторы. Поворотом шкалы индикатора фиксируют начальный нулевой отсчет.

5. Прикладывают первую ступень давления и пускают в ход секундомер (взять отсчет времени по часам).

6. Записывают в журнал испытаний (табл. 8) показания индикаторов с интервалом через минуту от момента приложения нагрузки до момента выполнения условного критерия стабилизации осадки.

7. Прикладывают следующую ступень давления и записывают показания индикаторов часового типа в журнал испытаний нарастающим итогом (от нуля, установленного в начале опыта) через те же промежутки времени с момента увеличения нагрузки и т.д.

8. По величинам конечных деформаций (после сжатия каждой ступенью давления) вычисляют соответствующие значения коэффициента пористости

De = e (1+ e ₀) и e = e ₀ - De

Таблица 8 - Журнал испытаний (пример заполнения)

Масса гирь на подвеске, т, кг Главное вертикальное напряжение, s, кПА Время наблюдения, t, мин. Показания индикаторов S, мм Осадка

при нагрузке при разгрузке абсолютная, S, мм относительная e

при нагрузке при разгрузке

0,0 0,00 0,25 0,00 0,00 0,0100

0,18 0,26 0,18 0,0072 0,0101

0,20 0,20 0,008

0,21 0,21 0,0084

0,21 0,21 0,0084

0,25 0,28 0,25 0,0100 0,0112

0,26 0,26 0,0104

0,27 0,27 0,0108

0,27 0,27 0,0108

0,30 0,32 0,30 0,0120 0,0128

0,31 0,31 0,0124

0,32 0,32 0,0128

0,32 0,32 0,0128

Примечания:

1. Н = 25 мм; А = 60см²; п = 1:10 = 0,1

2.

3. e = S / H

Таблица 9 - Журнал вычислений (пример)

Главное вертикальное напряжение s, кПа Стабилизированная осадка Коэффициент пористости

абсолютная S, мм относительная e приращение по сравнению с начальным De значение e

0,00 0,0000 0,000 0,960

0,21 0,0084 0,016 0,944

0,27 0,0108 0,021 0,939

0,32 0,0128 0,0025 0,935

По данным табл. 9 строят компрессионные кривые (рис.2).

Рисунок 2 - Графики компрессионных кривых: 1 - кривая уплотнения; 2 - кривая разуплотнения

Характеристика деформируемости грунта (коэффициент уплотнения) в одном из интервалов изменения давления (по заданию преподавателя)

(13)

где s₁ и s₂ - границы интервала изменения главного вертикального напряжения, причем s₂> s₁;

е ₁; и е ₂ - соответствующие значения коэффициентов пористости. Используя значение коэффициента уплотнения (сжимаемости) грунтов т ₀ вычисляют коэффициент относительного уплотнения m_v и модуль деформации Е_ое_d

m_v = m ₀/(l + e ₀); (14)

E_oed = b/m_v (15)

где b -коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в приборе и назначаемый в зависимости oт коэффициента Пуассона m(табл. 10).

Таблица 10 - Среднее значение коэффициента Пуассона m и коэффициента b

Грунт m b = 1- 2n²/(1 - n)

песок и супесь 0,30 0,74

суглинок 0,35 0,62

глина 0,42 0,40

Лабораторная работа №3