Лабораторная работа №3

Определение природной влажности грунта.

По форме выражения влажность грунта подразделяется на весовую, объемную и относительную (по степени насыщения пор грунта водой).

Весовой влажностью грунта называется отношение массы содержащейся в нем воды к массе сухого грунта:

.

W - влажность грунта;

m_ω - масса воды в грунте, г;

m_d - масса сухого грунта, г;

m_w – масса влажного грунта, г

Объемной влажностью называется отношение объема влаги к объему сухого грунта:

Относительной влажностью называется степень насыщения пор грунта водой, или отношение массы воды, содержащейся в грунте к объему пор в этом грунте. Теоретически эта величина может изменяться от 0,0% до 100% или от 0,0 до 1 в болях единицы объема пор.

- плотность воды;

n – пористость грунта в долях единиц;

е – коэффициент пористости (отношение объема пор к объему частиц грунта).

На практике в лабораторных условиях определяют весовую влажность (ГОСТ 5180-75). Остальные формы выражения влажность вычисляются по соответствующим формулам. Влажность грунта измеряется в долях единицы измерения или в процентах.

Основные методы определения влажности грунта: пикнометрический, ускоренный или весовой.

Необходимое оборудование: бюксы, технические весы с разновесами, сушильный шкаф, шпатель, щипцы, эксикатор.

Методика выполнения работ:

1. Взвесить два пустых бюкса с крышками с точностью до 0,01 г. (m,г)

2. Поместить по 10…..20 г. исследуемого грунта в бюксы. Взвесить бюксы с грунтом (m,г).

3. Бюксы с грунтом и снятыми крышками поставить в сушильный шкаф и постепенно, в течении 1 – 2 часа поднимают температуру:

а. при определении влажности загипсованных грунтов – 80⁰ 2⁰С

б. при определении влажности песчано-глинистых не загипсованных грунтов 105⁰ 2⁰С.

4. Продолжительность начального высушивания для глинистых грунтов – 5 часов, песчаных – 3 часа. Загипсованные грунты высушивают в течение 8 часов.

5. Закрыть бюксы крышками и перенести их в эксикатор с хлористым кальцием или прокаленным силикагелем, где они охлаждаются в течение 30-40 минут. После этого бюксы с крышками и грунтом взвесить (m₂, г) и вновь поместить в сушильный шкаф.

6. Продолжительность последующего высушивания для глинистых грунтов – 2 часа, песчаных – 1 час, загипсованных грунтов – 2 часа. Операции по высушиванию повторять до техпор, пока разность между двумя последними взвешиваниями станет меньше 0,02 г. Для каждого образца ведут два параллельных определения. Расхождения по влажности между ними не должно превышать 2%. За результат принимают среднеарифметическое значение двух определений.

Расчет весовой влажности ведут по уравнению:

Расчет ведут с точностью 0,1%

Лабораторная работа № 4

Определение типа и вида песчаного грунта.

Грунты состоят из отдельных частиц различной крупности, формы, минералогического состава. Группу частиц с диаметром определенного состава называют фракцией. По фракционному составу грунты делятся на:

Название группы	Размер частиц, мм
Галечные (щебенистые)	100-20
Гравийные (дресвяные)	20-2
Песчаные	2-0,05
Пылеватые	0,05-0,005
Глинистые	‹0,005

Грунты, как правило, являются полидисперсными системами и состоят из фракций различного состава. Гранулометрический состав грунта определяется содержанием частиц по крупности, отнесенной к общей массе сухого грунта и выраженной в процентах.

Методы определения гранулометрического состава грунтов приведены в таблице:

Таблица 4.1

Наименование грунтов	Метод анализа
Песчаные при выделении зерен крупностью
10-0,5 мм	Ситовой без промывки водой
10-0.1 мм	Ситовой с промывкой водой
Пылевато-глинистые	Ареометрический
	Пипеточный
	Рутковского-Сабанина

Гранулометрический состав грунта определяют согласно ГОСТ 12536-79.

Пробу грунта для анализа отбирают методом квартования. Распределяют грунт, высушенный до воздушно-сухого состояния по листу фанеры, проводят ножом борозды в продольном и поперечном направлениях разделяя грунт на квадраты и отбирают для пробы грунт равномерно из каждого квадрата. Масса средней пробы составляет:

• для песков мелко и среднезернистых 100 г;

• для песков крупнозернистых 500 г;

• для песков с галькой и гравием до 10% 1000 г;

• для песков с гравием и галькой 10-30% 2000 г;

• для песков с гравием и галькой более 30% 3000 г;

• для крупнообломочных пород 5 кг и более

Определение гранулометрического состава песчаных грунтов выполняют ситовым методом в двух вариантах:

1. При малом содержании пылеватых и глинистых частиц – ситовым методом без промывки водой;

2. При большом содержании пылевато-глинистых частиц – с промывкой водой.

В учебных целях определение гранулометрического состава песчаных грунтов выполняется с использованием мелко - и среднезернистых песков практически без содержания пылеватых и глинистых фракций.

Необходимое оборудование: технические весы с разновесами, шпатель, набор стандартных сит 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм с поддоном, чашечки d 8-10 см (количество – по количеству фракций), резиновый пестик с фарфоровой ступкой.

Методика выполнения работ:

1. Образец мелко и среднезернистого чистого песка довести до воздушно-сухого состояния и методом квартования отобрать пробу массой 150 г.

2. Из полученной пробы взять навеску грунта с точной массой 100 г. Сита расположить вертикальной колонкой так, чтобы диаметры отверстий их уменьшались сверху вниз 10-0,1 мм и заканчивались поддоном. На верхнее сито высыпать подготовленную навеску грунта.

3. Верхнее сито закрыть крышкой и легкими круговыми движениями в течение 3 минут просеять грунт через набор сит. В результате просеивания проба грунта разделяется на фракции: на верхнем сите › 10 мм; на следующем 5-10 мм; ниже 2-5 мм; и т.д. На поддоне остается фракция ‹ 0,1 мм.

4. Содержание каждого сита и поддона высыпать в заранее пронумерованные и взвешенные чашечки и взвесить. Полученный результат (после вычитания массы чашек) выразить в % к массе всей навески и занести в журнал. Расхождения между массой навески и суммой масс всех фракций более 1% не допускается. Невязку распределить пропорционально массе фракций.

5. Последовательным суммированием в процентах определить массу частиц крупнее 2; 0,5; 0,25 и 0,1 мм. Тип песка по крупности установить по его гранулометрическому составу:

Песок гравелистый - масса частиц крупнее 2 мм › 25%

Песок крупнозернистый - масса частиц крупнее 0,5 мм › 50%

Песок среднезернистый - масса частиц крупнее 0,25 мм › 50%

Песок мелкозернистый - масса частиц крупнее 0,1 мм › 75%

Песок пылеватый - масса частиц крупнее 0,1 мм ‹ 75%

Примечание: Тип песка определяется по первому удовлетворяющему признаку (сверху вниз).

Определение полного наименования песка

Методика определений:

1. По данным гранулометрического состава последовательным суммированием процентов определить массу частиц менее 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10 мм и построят суммарную (интегральную) кривую гранулометрического состава грунта в полулогарифмическом масштабе.

2. С помощью суммарной (интегральной) кривой найти действующий диаметр d₁₀ и диаметр шестидесяти d₆₀. Рассчитать коэффициент неоднородности:

d₆₀ и d₁₀ – диаметр частиц, соответствующий 60% и 10% содержанию их в пробе.

Песчаные грунты называются однородными, если ‹ 3 и неоднородными при ≥3.

Подразделение зернистых грунтов по плотности сложения и степени влажности приведено в таблицах (ГОСТ 25100-82).

Таблица 4,2

Подразделение песчаных грунтов по плотности сложения

Песок	Плотность сложения
	Плотный	Средней плотности	Рыхлый
Гравелистый, крупный и средней крупности Мелкий Пылеватый	e < 0.55 e < 0.6 e < 0.6	0.55 ≤e≤ 0.7 0.6 ≤e≤ 0.75 0.6 ≤ e ≤ 0.8	e › 0.7 e › 0.75 e › 0.8

Таблица 4,3

Подразделение крупнообломочных и песчаных грунтов

по степеням важности

Грунт	Степень влажности
Маловлажный Влажный Насыщенный водой	0 < Sr ≤ 0.5 0.5 < Sr≤ 0.8 0.8 < Sr ≤ 1

Примечание: С целью расширения диапазона фракционного состава раздаточного учебного материала возможно использование грунтов, содержащих пылевато–глинистые частицы. При этом определение гранулометрического состава грунтов ведут с промывкой водой по следующей методике.

Взвешенную среднюю пробу воздушно-сухого грунта замачивают водой в фарфоровой чашке с добавлением 5 см³ 5% раствора аммиака. Через 10 – 15 минут пробу растирают резиновым пестиком и доливают слоем воды 30-40 мм. Суспензию взмучивают, дают отстояться 10-15 с., после чего сливают через сито 0,1 mm. Взмучивание и сливание производят до полного просветления воды. Частицы, оставшиеся на сите, сливают обратно в чашку, а промытую пробу песка высушивают и определяют ее гранулометрический состав по методике, приведенной выше. Процентное содержание каждой фракции на данном сите X вычисляют до одного десятичного знака:

, где

m₀ – масса остатка на сите, г.

m – первоначальная масса пробы грунта, г.

Для контроля суммируют массу песчаных фракций и массу пылеватых и глинистых фракций. Расхождение не должно превышать 1%. Потери грунта разносятся по фракциям, пропорционально их массам.

Если содержание частиц грунта ‹ 0,1 мм превышает 10% в пробе, то разделение их на фракции выполняется пипеточным, ареометрическим способами или методами Сабанина.

Лабораторная работа № 5

Определение вида и состояния глинистого грунта

Свойства глинистых грунтов определяются в основном их минералогическим составом и влажностью. С изменением влажности изменяются деформативные и прочностные показатели глинистого грунта, его консистенция, определяющая несущую способность и поведение под нагрузкой. Под консистенцией понимается степень подвижности частиц грунта при механических воздействиях.

В зависимости от влажности глинистый грунт может находиться в одном из трех состояний: твердом, пластичном или текучем. Изменение консистенции грунта происходит при определенных граничных значениях влажности, называемых пределами пластичности. Различают два предела: нижний и верхний, которые соответствуют влажностям на пластичности (раскатывания) - W_ρ и на границе текучести W_L.

	WP			WL
W<WP		WP<W<WL			W>WL	Пределы влажности
Твердая прочносвяз.		Пластичная рыхлосвяз.			Текучая свободносвяз.	Состояние (консистенция) грунта. Вид влаги в грунте.

Величина пределов пластичности измеряется, как и природная влажность, в долях единицы и зависят, в основном, от минералогического и гранулометрического состава грунтов.

Разность влажностей на пределах пластичности называется числом пластичности:

Число пластичности характеризует количественное содержание глинистых частиц в породе. По числу пластичности породы делят на супеси, суглинки и глины (табл. 5,1).

Таблица 5,1

Грунт	Число пластичности Iρ, %	Содержание глинистых частиц (массовая доля), %
Супесь	<IP 7	3…..10
Суглинок	7<Ip	10…..30
Глина	>17	›30

Показатель текучести (состояния, консистенции) грунтов определяется уравнением:

, где

W – фактическая весовая влажность, %

Таким образом, тип (название) глинистых грунтов определяется по числу пластичности, а состояние – по показателю текучести (консистенции).

Существует ряд способов для определения пределов пластичности (Васильева, за рубежом Аттерберга, Казагранде и т.д.). Все разработанные методы позволяют определить лишь условные величины пределов, т.к. при выполнении лабораторных исследований имеют дело не с реальными грунтами, а их пастами.

Необходимое оборудование: технические весы с разновесами, сушильный шкаф, эксикатор с хлористым кальцием (для поглощения влаги), бюксы, шпатель, фарфоровая чашка, лист глянцевой бумаги или ровная гладкая доска, балансирный конус, специальная подставка, тигли, резиновый пестик с фарфоровой ступкой, сито с отверстиями 1 мм.

Балансирный конус Васильева состоит из собственно конуса и балансирного устройства. Конус имеет высоту 25мм. И угол при вершине 30⁰. На расстоянии 10мм.от вершины конуса нанесена круговая отметка. Для удобства пользования имеется ручка. Балансирное устройство состоит из двух шаров, укреплённых на проволочном коромысле, и позволяет конусу всегда находится в вертикальном положении, фиксируя направление передачи нагрузки от собственной массы. Конус изготовляется из нержавеющих металлов и имеет общую массу 76г.

рис. 5.1. Балансирный конус Васильева

1. - балансирное коромысло;

2. - ручка;

3. - конус.

В состав прибора входит подставка и тигель для грунтовой массы.

Подготовка грунтовой пробы.

Грунт воздушно – сухого состояния объёмом около 100см³ разминают шпателем, размельчают резиновым пестиком в ступке и просеивают через сито с отверстиями 1мм. Просеянный грунт помещают в чашку и увлажняют до состояния густой пасты, тщательно перемешивая. Чашка с грунтом закрывается крышкой и оставляют не менее чем на 2 часа для образования однородной (по влажности) массы.

Примечание: В связи с длительностью подготовки грунтовой пасты студенту предлагается готовая грунтовая проба.

Определение влажности на границе текучести

(ГОСТ 5183 – 77)

1. Заполняют тигель грунтовой пастой вровень с краями без образования пустот и устанавливают его на специальную подставку.

2. На поверхность грунта осторожно опускают балансирный конус, держа его за ручку, наблюдая за его свободным погружением в течение 5 с. Погружение конуса за 5 с до отметки свидетельствует о нахождении грунта на границе текучести W_L.

3. Если конус погрузился на меньшую или большую глубину, то это свидетельствует о не достижении или превышении границы W_L. Грунт извлекают из тигля и в него добавляют несколько капель воды или подсушивают, тщательно перемешивая. Повторяют все операции п. 2.

4. Если границаW_L достигнута, то из тигля берётся навеска грунта массой 10-15г и определяют влажность весовым способом. Тигель очищают от грунта, а данные заносят в журнал лабораторных работ. Параллельно выполняют не менее двух определений. Расхождение в конечных результатах более 2% не допускается. За расчётную величину W_L следует принимать среднеарифметическую из двух определений.

Определение влажности на границе раскатывания

(ГОСТ 5183- 77)

1. Грунтовую пасту раскатывают пальцами на стеклянной или пластмассовой пластинке до образования жгута диаметром около3мм. При раскатывании избыточная влага удаляется из грунта. Если при указанной толщине жгут не крошится, то грунт перемешивают и вновь раскатывают.

2. Граница W_P достигается, если жгут толщиной 3мм. начинает крошиться на кусочки длиной 5…10мм.

3. Кусочки грунта общей массой 10…15г берут для определения весовой влажности (W_P).

4. Параллельно проводят не менее двух определений. Расхождение в результатах не должно превышать 2%. За величину W_P принимают среднеарифметическое значение.

Определение полного наименования глинистого грунта.

1. Преподаватель задаёт характеристики грунта: плотность частиц _S, естественную плотность ρ, влажности W, W_L и W_p. Студенты определяют расчётные характеристики: коэффициент пористости l, степень влажности S_r, число пластичности I_p, показатель текучести I_L.

2. Определение типа грунта, его консистенции осуществляется по данным табл. 5.1. и 5.2.

Таблица 5,1

Типы глинистых грунтов

Грунт	Число пластичности Iρ, %	Содержание глинистых частиц (массовая доля), %
Супесь	<IP 7	3…..10
Суглинок	7<Ip	10…..30
Глина	>17	›30

Таблица 5,2

Подразделение пылевато-глинистых грунтов по показателям текучести

Грунт	Показатель текучести
Супесь:
твердая
пластичная
текучая
Суглинок и глина:
твердые
полутвердые
тугопластичные
мягкопластичные
текучепластичные
текучие

Лабораторная работа № 6

Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта

Естественные грунты представляют собой пористое пространство, способные пропускать гравитационную воду. Эта способность называется водопроницаемостью. Численно водопроницаемость характеризуется скоростью движения гравитационной воды в порах при градиенте, равном единицы.

В условиях ламинарного движения количество воды, протекающей через поровое пространство площадью А в течение времени, t по закону Дарси равно:

, где:

К_ф – коэффициент водопроницаемости (фильтрации);

I – гидравлический градиент, равный отношению потери напора

, где:

H₁ – напор в начальном сечении фильтрации;

H₂ – напор в конечном сечении пути фильтрации.

Коэффициент фильтрации (К_ф) измеряется в см/с, м/сут, см/год…..

Средние значения К_Ф в м/сут. для грунтов

Пески	10-1……10-4
Супеси	10-3……10-5
Суглинки	10-5……10-8
Глины	10-7……10-10

Коэффициент фильтрации используется в расчетах при определении консолидации водонасыщенных грунтов (времени затухания осадки фундаментов), притока подземных вод к котлованам, дренажам, подземным водозаборным сооружениям, утечек из водохранилищ…

Определение величины коэффициента фильтрации осуществляется полевыми, лабораторными методами, а также расчетами по эмпирическим уравнениям.

В лабораторных условиях для определения К_ф песчаных грунтов используют фильтрационные приборы: КФ-00, трубку Спецгео и трубку Г.Н. Каменского (рис 6.1).

Необходимое оборудование: прибор КФ-00, термометр, секундомер, глубокая тарелка.

Методика определений:

1. Заполнить фильтрационную трубку 4 грунтом 8 и надеть на нее муфту 2 и упорное дно 5, предварительно положив на торцевые поверхности грунта латунные сетки 3 и 6 (рис. 6.1).

При испытании грунта естественной структуры трубу задавливают в монолит грунта. Грунт с нарушенной структурой засыпают в трубку с послойным трамбованием до получения необходимой пористости.

В опытах с тонкозернистыми песками на дно трубки насыпают буферный слой песка из фракций 0,25….0,5 мм на высоту 2…3 мм.

2. Вставить трубку упорным дном во внешний стакан 7 на кольцо подставку, соединенную со шкалой напорного градиента 10. Винтом 9 установить нужный напорный градиент, следя за совмещением соответствующего деления на шкале 10 с верхом внешнего стакана. Заполнить внешний стакан водой и поставить в широкую емкость.

3. В течение 3….4 минут небольшими порциями осторожно наливать воду на верхнюю сетку 3 , пока вода не начнет выливаться из внешнего стакана. Это будет свидетельствовать о полном водонасыщении грунта трубки.

4. Заполнить мерный баллон 1 водой и измерить ее температуру. Зажав отверстие баллона большим пальцем и, опрокинув, вставить в муфту 2 до соприкосновения с сеткой 3. В таком виде баллон автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды 1…2 мм. Когда последний вследствие фильтрации понижается, в баллон прорываются пузырьки воздуха и соответствующее количество воды вытекает из него. Этим достигается постоянство напорного градиента. Если в баллон прорываются крупные пузырьки воздуха, то это свидетельствует о значительном удалении горлышка от поверхности грунта. Следует баллон опустить на 1…2 мм ниже и добиться равномерного просачивания мелких пузырьков воздуха в процессе опыта.

5. В условиях равномерного появления мелких пузырьков воздуха в баллоне определить время t фильтрования Q = 10 мл воды. Опыты проводят при различных первоначальных положениях уровня воды в баллоне.

6. Изменяют напорный градиент винтом 9. Доливают воду во внешний стакан и повторяют операции п.5, а при необходимости п.4.

7. Занести данные измерений в журнал (табл. 6.1). Определить значения К₁ по таблице 6.2 или по уравнении.:

, где

Q - расход воды, равный 10 мл;

F – площадь поперечного сечения цилиндра, равная 25 см²;

I – напорный градиент;

τ = (0,7 + 0,003t) – температурная поправка;

864 – переводной коэффициент из см/с в м/сут.

рис. 6.1 Схематический разрез прибора КФ-00 для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов:

1 - мерный баллон; 2 - муфта; 3 и 6 -латунные сетки; 4 – фильтрационная трубка; 5 – упорное дно; 7 – внешний стакан; 8 – образец грунта; 9 – винт для вертикального перемещения фильтрационной трубки; 10 – шкала напорного градиента

Таблица 6,1

Результаты определения К_ф песка

Номер опыта	Напорный градиент	Температура воды, С0	Время фильтрации	Коэффициент К1	Примечания
1	1,0				А=25 см2
2	0,8				Q=10 см3
3	0,6				Кф=К1/t
					t-время фильтрации

Таблица 6,2

Величина К₁ для определения К_ф песков

№№	t0C	I = 0.6	I = 0.8	I = 1.0
1	10	576.0	432.0	345.6
2	11	559.2	419.3	335.5
3	12	543.3	407.5	325.9
4	13	520.4	396.3	317.0
5	14	514.3	384.8	308.6
6	15	500.9	375.6	300.4
7	16	488.1	366.1	292.9
8	17	476.0	359.8	285.6
9	18	464.5	348.3	278.6
10	19	453.4	340.1	272.1
11	20	443.0	332.3	265.8
12	21	433.1	324.8	259.8
13	22	423.5	317.6	254.1
14	23	441.3	310.3	248.6

Значение К_ф принимается среднеарифметическим из всех опытов.

Примечание: Значения напорного градиента I рекомендуется принимать равным 1,0; 0,8 или 0,6 с целью использования данных табл. 6,2.

Коэффициент фильтрации песков можно вычислить по формуле:

, где - расход воды в мл; t – время в секундах.