книги из ГПНТБ / Булычев, В. Г. Механика дисперсных грунтов

Для того чтобы правильно определить пористость того

или

иного массива грунта, необходимо сохранить в

анализиру­

емой пробе влажность и структуру массива. А так

как

по­

объемного и удельного веса, то

проба грунта,

взятого

для

определения пористости,

должна

удовлетворять

условиям

оп­

ределения влажности, объемного и удельного веса.

Расчет пористости nw производится по формуле

П _ \

JTn'

(5)

w

у(1 ч. W) ’

а коэффициента пористости, т. е.

отношения объема

всех

пор

к объему, занятому скелетом, может быть вычислен по

фор­

муле

с- ——Пи,

( 6 )

w

1 - пи

6 .

Пластичность

При изменении влажности грунты проходят ряд

состояний.

дой, находятся в

текучем состоянии, но достаточно

такой

грунт высушить,

как он переходит в состояние сыпучего те­

ности проходят три основных состояния - текучее,

пластич­

ное и твердое.

Под пластичным принято понимать такое состояние,

при

котором грунт медленно, но значительно остаточно

деформи­

руется от действия собственного веса и внешних сил.

Как

показали исследования ряда авторов, пластичность

тесно

более грунт дисперсен и однороден, тем выше его

пластич­

ность, а так как к типу связных грунтов относятся

грунты

с различным гранулометрическим составом, то и

пластичес­

кие свойства разных грунтов могут быть различными.

Для количественной характеристики грунта

Аттербергом

установлено так называемое число пластичности

WK

,

под

которым понимается выраженная (в %) разность

весовых

влажностей грунта, относящихся к границам перехода в

те­

кучее и твердое состояние. Границу перехода грунта в

теку­

чее состояние называют границей текучести, а границу

пе­

рехода в твердое состояние - границей пластичности.

По Аттербергу нижнюю границу пластичности

определяют

следующим образом: перемешивая, увлажняя или

(если

грунт

рукам массу.

Из этой массы скатывают шарик

диаметром

около 2 см.

Затем этот шарик раскатывают ладонью

на

чистом листе

бумаги в жгут или нити. Если в самом

начале

раскатывания

жгут начинает распадаться на короткие

куски,

образец снова сжимают в комок, придают ему форму

ширина

и вновь раскатывают. Этот процесс повторяют до

тех

пор,

пока жгут до распадения не

превратится в тонкую

нить.

Эти мелкие кусочки грунта

немедленно собирают,

взвешива­

ность, характеризующую границу пластичности грунта.

Для определения границы текучести (этому должно

быть

уделено особое

внимание)

образец грунта замешивают в фар­

форовой чашке водой и из смеси делают лепешку

диаметром

около

4 см, толщиной 8

мм.

Затем лепешку в

чашке разре­

зают никелевым шпателем по диаметру на две равные

части

и встряхивают чашку тремя ударами по ладони. Если

после

этого нижняя часть разреза лепешки сливается на

толщину

около

1 мм,

опыт считается законченным - грунт помеща­

ется в сушильный стакан для определения влажности.

Обе

границы необходимо определять повторно. Если

результаты

двух определений расходятся более чем на 2%, опыт

повто­

ряют.

Так

как песчаные грунты непластичны, то и

пластичность

их не

определяется.

WH

Число пластичности

определяют по формуле

W, -

Ж - Щ - К ,

(7)

где

весовая

влажность грунта на границе текучести;

Wt - то же, на границе пластичности.

При определении границы текучести некоторые

исследова­

тели, не изменяя принципов Аттерберга, применяют

более

объективные

методы.

Таков, например, весьма

распростра­

ненный метод определения пластичности с помощью

прибора

Охотина (рис. 4 ). В этом приборе произвольный удар

чашки

с лепешкой о ладонь заменен ударом по принципу

свободно

падающего тела.

Прибор имеет следующее устройство (рис. 4 ): на

метал­

лической пластинке

А

укреплены четыре точно

центриро­

ванные стойки

Б . Между стойками по специальным

на­

правляющим свободно движется металлическая чашка

В , в

которую укладывают исследуемый грунт Г . Стойки

скреп-

Резина

S

Рис.

4

лены сверху металлической пластинкой f l

, на которой раз­

Ж зажимы

Е освобождают чашку

Е> , которая,

свободно

падая между стойками, ударяет дном об уложенную на

плас­

тине

А

резиновую подкладку. Если после трех ударов

ниж­

няя часть разреза грунта

в чашке сливается на толщину око­

ло 1

мм,

опыт считается

законченным.

7 . Гранулометрический состав

Гранулометрический анализ грунта

позволяет

установить

содержание (в %) входящих в его состав зерен

различной

крупности -

фракций.

Эта характеристика в комплексе с другими дает

возмож­

ность оценить некоторые качества грунта как основания

со­

оружений.

Однако прочность грунта определяется прежде всего

со­

стоянием, в котором он находится. Поэтому часто

бывает,

что грунты одного и того же гранулометрического

состава

обладают различной прочностью и, наоборот, грунты

совер­

шенно разнородные по

гранулометрическому составу

оказы­

ваются равнопрочными из-за различных состояний,

в

кото­

рых они находятся. Отсюда следует, что по одним

только

данным гранулометрического состава невозможно судить

о

пригодности грунта для

основания сооружения. Другое

дело,

если

к данным гранулометрического состава прибавить такие

физические характеристики, как влажность, пористость

и

т. п.

Тогда суждение о прочности грунта может носить

бо—

кие свойства крупнообломочных и песчаных грунтов

зависят

главным образом от крупности составляющих частиц и от

их

соотношения в

грунте.

Гранулометрический состав грунта определяется

в

лабора­

торных условиях различными методами, из которых

наиболее

распространены

ситовой анализ, метод отмучивания

и арео­

метрический метод.

С и т о в о й

а н а л и з грунта заключается в том,

что

2 0 0 —1 0 0 0 г

воздушно-сухого образца грунта

растирают

так, чтобы его

частицы были разъединены, но не

разрушены.

Для этого грунт растирают в ступке пестиком с

резиновым

наконечником.

Растертый грунт взвешивают и засыпают

в

верхнее сито набора, состоящего из сит с отверстиями

10;

5; 2,5;

1; 0,5

и 0 ,2 5 мм (рис. 5 ).

После

более или менее продолжительного встряхивания

на­

вующих сит, отсеиваются. Затем набор разбирается и

фрак­

ции, оставшиеся на ситах, взвешиваются. Взвешивается

так­

же и та часть грунта,

которая прошла в поддон через

все

сита. Сумма весов

всех фракций должна равняться весу ана­

лизируемого образца, отклонение не должңо превышать

1%

веса образца. Вес фракций, оставшихся

на каждом

сите

(в %), вписывается в специальную таблицу:

Диаметр частиц

Больше От 10 От 5

От

2

От 1 Мельче

10

до 5 до 2

до

1

до

0 ,5

.0 .5

заключается в следующем: с изменением поперечных

разме­

ров частиц их масса увеличивается пропорционально

третьей

степени; при погружении же этих частиц в вязкую

среду

ченные в вязкой среде частицы разной крупности с

различ­

ной скоростью. Исходя из предположения

шарообразности

частиц грунта Стокс вывел следующую формулу

расчета

скорости их падения в вязкой среде:

£/• =

У- Ао

( 8 )

туре t .

Эта формула выведена для расчета падения

правильных

шаров, поэтому в применении к грунтам, частицы

которых

далеко не всегда имеют форму шара, ее нужно

рассматри­

вать как дающую приблизительные результаты.

Кроме формулы Стокса для расчета скорости

падения

частиц в вязкой среде может быть применена формула

Шене

и ряд таблиц

(Вильямса, Алпиани, Босуэлла и др.), состав­

ленных на основе экспериментальных наблюдений.

В лабораториях анализ гранулометрического состава

грун­

та по принципу отмучивания обычно производится

методами

Рутковского, Сабанина и Робинзона. Им обычно

предшест­

вует разделение грунта на крупные фракции (от

10

до

0 ,5 мм) при помощи ситового анализа.

М е т о д

Р у т к о в с к о г о ,

очень

простой

и

удобный даже

в полевых условиях, часто

применяют,

чтобы

При помощи этого метода разделяют грунт на три

основные

составляющие: глину, песок и пыль.

Воздушно-;-ухой грунт, растертый в ступке

резиновым

пестиком и просеянный через сито с отверстиями

1 мм, за­

сыпают в цилиндрическую мензурку (рис. 6)

емкостью

100 см3, диаметром 2,5 см. Количество грунта

должно

100-

90-

80-

w -

60-

50-

kO—

зо—

20-

10—

Рис. 6

/7777Ш 77Я Ш 7777

быть таким, чтобы после постукивания мензурки о

какой-ли­

бо предмет грунт уплотнился до постоянного объема

5 см3 .

Затем грунт вновь разрыхляют, в мензурку вливают

5 0 -

70 см3 дистиллированной воды и тщательно

размешивают

грунт до полного исчезновения мазков глины на

стенке

мензурки.

В полученную суспензию в качестве коагулятора

вливают

3 см3

раствора хлористого кальция^

. Дополнив

мензурку

водой до 100 см3, оставляют грунт отстаиваться

и

после

того, как он полностью осядет на дно мензурки

(примерно

через

1 0 -2 0 ч), измеряют его объем в набухшем

состоянии.

Для расчета приращения объема k

на каждый

кубический

сантиметр сухого грунта пользуются следующим

уравнением:

/г= V - К>

’

(9)

V - объем грунта

где

в набухшем состоянии;

«

По полученному приращению определяют количество

гли­

нистых частицѣ в грунте:

Состав раствора: 5,5 г хлористого кальция на 100

см3

воды.

Приращение на 1 см3

Количество глинистых

сухого грунта

частиц в %

4

9 0

,7

3,75

8 5

,0 3

3,5

7 9

,3 6

3,25

7 3

,6 7

3

6 8

,0 1

2,75

6 2

,2 5

2,5

5 6

,2 8

2

4 5

,3 5

1,75

39,68

1,5

34

1,25

2 8

,3 4

1

2 2 ,6 7

0 ,7 5

17

0,5

1 1 ,3 3

0 ,3 5

7,93

0 ,1 2

2 ,7 2

количестве 10 см3

засыпают в мензурку. Долив в мензурку

воды до 100 см3, тщательно размешивают грунт с водой

и

оставляют его в покое на 90 сек - за это время

крупные

частицы размером

1—0 ,5

мм оседают на дно. Через 90

сек

мутная вода (суспензия)

в количестве 88 см3 (высота 18см)

сливается, и мензурка вновь доливается водой до

100

см3,

после чего вся операция повторяется до тех лор,

пока

жид­

кость над грунтом не станет прозрачной.

Эту жидкость сливают и вновь доливают воды,

но уже

до

сливают и мензурку вновь доливают водой до

30 см3.

Эта

операция также повторяется до тех пор (3 -4

раза),

пока

вода после 30-секундной отстойки не станет

совсем

проз­

рачной. Затем мензурку оставляют на 20 —50

мин, после че­

го отсчитывают объем осевшего на дно мензурки песка.

Объем

К, песчаных частиц в грунте (в %)

рассчитывают

по формуле

. Ѵх = 10/7 ,

( 10)

где

п —количество осевшего песчаного грунта в см' .

Таким образом, зная содержание глинистых и

песчаных

частиц в грунте (в

%), можно простым вычитанием их сум­

мы (глина + песок) из 100 определить процентное

содержа­

ние пылеватых частиц.

В случаях, когда в грунтах имеются фракции

крупнее

1 мм,

необходимо произвести соответствующий

пересчет.

Если же производится анализ глины, то количество

песка

отдельно не определяется и грунт разделяют только

на глину

и пыль.

По

м е т о д у

С а б а н и н а

обычно

производят

анализ грунта, пропущенного через набор сит с

отверсти­

ями до

1 мм.

При пропуске через набор сит

устанавлива­

ют, какую часть всего грунта составляет сумма

фракций

менее

1 мм.

Взяв

4 -5 г фракций менее 1 мм

в

воздуш­

но-сухом состоянии,

тщательно растирают их

резиновым

щают в плоскодонную колбу емкостью 1 2 0 -1 5 0

см

,

куда

наливают

2 5 -3 0 см3

воды.

Содержимое колбы кипятят в течение 1 ч с

момента

на­

чала кипения воды. Для сохранения постоянного

количества

воды кипячение производят с использованием обратной

воды

( конденсации). Получившийся после кипячения раствор

в

колбочке охлаждают и переносят на сито с

отверстиями

0 ,2 5 мм,

помещенное над чисто вымытой и

высушенной

фарфоровой чашей (емкостью 5 0 0 см3). Суспензия,

прошед­

шая через это сито, пропускается через другое

сито с

от­

верстиями 0 ,1 мм.

Остатки на ситах высушиваются и. взве­

размешивают резиновой лопаточкой и, оставив в

покое

на

30 сек (для отделения более крупных фракций),

выливают

затем

в малый стакан прибора Сабанина на

высоту

4

см

(рис.

7 ). Здесь жидкость взмучивают и через 100

сек

при

помощи сифона сливают до высоты

2 см.

Чашу вновь

доли­

вают до первоначального уровня 4

см;

операция

повторяет­

ся до тех пор, пока после очередной 100-секундной

отстой-

ки жидкость между делениями от 2

до

4

см

не станет

со­

вершенно прозрачной. Это указывает на отсутствие

частиц,

время падения которых на длину в

1 см

менее

5 0

сек,

т. е. частиц менее 0 ,0 1 мм (эквивалентный диаметр).

Далее производят проверку. Оставшийся в чаше и

малом

стакане грунт, состоящий из частиц крупнее

0 ,0 1

мм,

поме­

щают в большой стакан прибора, который доливают до

высо—

Рис.

7

ты 12 см

дистиллированной водой. Содержимое

стакана

взмучивают и через 300 сек

сливают столб жидкости

вы­

сотой 5 см.

Если по прошествии

300

сек

окажется,

что

вода в стакане на высоте от 6

до

12

см

прозрачна,

то

значит, что частицы грунта размером

менее 0 ,0 1

мм

отде­

лены удовлетворительно.

Отделив частицы мельче 0,01 мм, приступают

к отделению

частиц крупностью

0 ,0 5 —0 ,0 1

мм,

для чего в

большой

стакан доливают до высоты 12

см

дистиллированную

воду,

содержимое стакана взмучивают и через 30 сек

сливают

столб жидкости с высоты от 12

до 6 см. В этом случае сливают

частицы крупностью от 0,5 до

0 ,0 1 мм,

для чего под

си­

фон ставят другую чистую банку (взамен банки с

частицами

менее 0 ,0 1

мм).

Как и раньше, сливания повторяют до тех

пор, пока после очередной 30-секундной отстойки вода

на

высоте от 6 до 1?

см

не станет

прозрачной. Таким

обра­

зом, в банке окажется фракция крупностью

0 ,0 5 -0 ,0 1 мм, а

в стакане -

частицы 0 ,1 -0 ,0 5

мм.

Те и другие частицы

освобождаются от излишнего количе­

до воздушно-сухого состояния и взвешиваются.

Количества

частиц размером менее 0,01 мм

определяют по

разности

между весом общего количества

взятого для

анализа грунта

(4 -5 г) и весом всех фракций крупнее 0 ,0 1

мм.

Результа­

мельче

0,01

мм

на фракции 0 ,0 1 -0 ,0 0 5 ,

0 ,0 0 5 -0 ,0 0 1 и

менее

0 ,0 0 1

мм.

Прибор Робинзона (рис. 8)

состоит из цилиндра

А

ем­

костью 1 л (диаметром 6 см, высотой 40 см ), а также

пи­

петки

Б емкостью

2 0 -2 5 см3.

Анализ по методу Робинзона производится следующим

об­

разом.

Фракция частиц мельче

0 ,0 1 мм, отмученная методом

Сабанина, помещается в

бутыль В емкостью

5

л,

куда

до­

ливают и воду до объема

2 л.

Хорошо закрытую

бутыль

в

течение 1 мин сильно взбалтывают, после чего ее содержи­

мое переливают в два цилиндра емкостью 1 л

каждый

и

пестками. Получившуюся суспензию оставляют

отстаивать­

ся. Для определения частиц

мельче 0 ,0 0 5

мм

необходимо

взять пробу с глубины 30

см через 18

ч

после

взбалты­

вания, а для определения частиц мельче

0 ,0 0 1

мм

- с той

же глубины, но уже через 3 суток. Пробы следует

брать

пипеткой, плотно закрыв ее верхний конец во время

опуска­

ния в суспензию и открыв конец при достижении

глубины

30 см.

Из пипетки суспензия переносится в

фарфоровые

чашки,

высушивается и взвешивается.