Методы испытания грунтов для дорожного и аэродромного строительства. Учебное пособие

УДК 691

ББК 38.39 Т65

Р е ц е н з е н т ы:

д-р техн. наук, проф. И. Л. Чулкова (ФГБОУ ВО СибАДИ) заместитель руководителя департамента городского хозяйства администрации города Белгорода Н. Е. Кудла

канд. техн. наук, доцент кафедры «Автомобильные и железные дороги» Е. А. Лукаш (ФГБОУ ВО БГТУ им. В. Г. Шухова)

Траутваин, А. И.

Т65 Методы испытания грунтов для дорожного и аэродромного строительства / А. И. Траутваин,

Д. В. Землякова, М. С. Лебедев. Белгород: Изд-во БГТУ, 2017. – 54 с.

ISBN 978-5-361-00516-1

В учебном пособии изложена методика проведения лабораторных работ по испытанию физических характеристик грунтов. Приведено краткое описание лабораторных приборов и оборудования, изложена методика обработки полученных результатов испытаний.

Издание предназначено для студентов направлений бакалавриата 08.03.01 – Строительство профиля подготовки «Автомобильные дороги и аэродромы», изучающих

дисциплину «Строительное материаловедение», а также магистратуры 08.04.01 Строительство профиля подготовки «Дорожно-строительное материаловедение», изучающих дисциплины «Ресурсо- и энергосберегающие технологии получения дорожно-строительных материалов», «Экспериментальные методы исследования строительных материалов».

3

Содержание

4

Введение

Всовременном дорожном строительстве, одним из актуальных вопросов является обеспечение надлежащего качества возведения земляного полотна. При этом, одна из главных ролей в оценке качества выполненных работ отводится лабораторным методам контроля грунтов, из которых устраиваются слои земляного полотна при строительстве автомобильных дорог, аэродромов и мостовых сооружений.

Грунт представляет собой сложную термодинамическую систему, являющуюся многофазной и неоднородной. В составе объема грунта присутствуют вещества в трех фазовых состояниях: минеральные частицы (твердая фаза); грунтовая вода (жидкая фаза); газ и пар (газообразная фаза). Минеральные частицы могут иметь размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это порождает большое разнообразие видов грунта, существенно отличающихся своими свойствами.

Различают физические, прочностные и деформационные характеристики грунта.

Вучебном пособии изложена методика проведения лабораторных работ по испытанию физических характеристик грунтов. Приведено краткое описание лабораторных приборов и оборудования, изложена методика обработки полученных результатов испытаний.

Издание предназначено для студентов направлений бакалавриата 08.03.01 – Строительство профиля подготовки «Автомобильные дороги и аэродромы», изучающих дисциплину «Строительное материало-

ведение», а также магистратуры 08.04.01 Строительство профиля подготовки «Дорожно-строительное материаловедение», изучающих дисциплины «Ресурсо- и энергосберегающие технологии получения дорожно-строительных материалов», «Экспериментальные методы исследования строительных материалов».

Работа выполнена в рамках программы в рамках программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова, а также стипендии Президента Российской Федерации № СП-2099.2015.1.

5

Лабораторная работа № 1

Определение гранулометрического состава грунта

Цель работы: научиться определять гранулометрический состав грунтов различными методами, а также классифицировать исследуемый грунт в зависимости от гранулометрического состава.

Основные понятия

Гранулометрический состав грунта. Гранулум (лат.) – зернышко,

частичка. Гранулометрическим называется состав грунтов по размерам частиц (зерен) в миллиметрах и количеству в процентах к массе абсолютно сухого грунта. Гранулометрический состав является одной из важнейших характеристик грунтов, дает возможность оценить его фи- зико-механические свойства и решить вопрос об использовании в строительстве. Зерна (частицы) грунта, близкие по размерам и свойствам, объединяют в группы, называемые гранулометрическими фракциями. В состав любого грунта входят четыре основных гранулометрических фракции: гравийная с размером частиц крупнее 2 мм; песчаная 2-0,05 мм; пылеватая 0,05-0,005 мм; глинистая – мельче 0,005 мм. Каждая гранулометрическая фракция состоит из отдельных зерен (частиц), называемых гранулометрическими элементами, например: 1, 0,1, 0,05 мм и т.д. Определение гранулометрического состава грунтов производят по ГОСТ 12536 различными методами: ситовыми, ареометрическими, пипеточными, полевыми и др.

1. Определение гранулометрического состава грунтов ситовым методом с промывкой водой

Оборудование и материалы: набор стандартных сит с размерами отверстий 10;5;2;1;0,25;0,1 мм, весы, ступка, пестик с резиновым наконечником, сушильный шкаф.

Ситовый метод определения гранулометрического состава основан на разделении грунта по фракциям при просеивании его через набор стандартных сит. Ситовый метод используют для определения состава несвязных крупнообломочных и песчаных грунтов. Для относительно рыхлых и чистых грунтов ситовый анализ проводят в сухом состоянии без промывки водой с выделением частиц от 10 до 0,5 мм. При слабой связности и наличии в грунте пылеватой и глинистой фракции ситовый анализ проводят с промывкой водой и выделением частиц разме-

6

рами от 10 до 0,1 мм. Среднюю пробу воздушносухих грунтов берут методом квадратов. Для этого насыпают грунт тонким слоем на лист плотной бумаги, проводят ножом борозды в продольном и поперечном направлении, разделяя грунт на четыре квадрата. Из каждого квадрата отбирают понемногу грунта до нужной массы: 100 г для грунтов, не содержащих частиц размером крупнее 2 мм; 500 г для грунтов, содержащих до 10% (по массе) частиц размером крупнее 2 мм; 1000 г для грунтов, содержащих от 10 до 30% частиц размером крупнее 2 мм; не менее 2000 г для грунтов, содержащих свыше 30% частиц размером крупнее 2 мм.

Порядок испытания

Среднюю пробу воздушносухого грунта высыпают в заранее взвешенную чашку, смачивают водой и растирают пестиком с резиновым наконечником. Затем заливают водой, взмучивают суспензию и дают отстояться 10-15 с. Мутную воду сливают с неосевшими частицами через сито с отверстиями размером 0,1 мм.

Взмучивание и сливание производят до полного осветления воды над грунтом. Частицы, оставшиеся на сите, смывают обратно в чашку и промытую пробу высушивают в сушильном шкафу, после чего охлаждают до комнатной температуры.

После высушивания и охлаждения грунта в чашке определяют массу частиц, размером менее 0,1 мм, по разности между массой, взятой для анализа средней пробы, и массой, промытого и высушенного грунта. Затем грунт просеивают через стандартный набор сит.

Просеивание грунта сквозь каждое сито проверяют над листом чистой бумаги. Остатки на каждом сите взвешивают. Потерю грунта при просеивании разносят по фракциям пропорционально их массе. Процентное содержание каждой фракции вычисляют по формуле

где тi - масса остатка на данном сите, г; т - масса пробы, г.

Для определения наименования грунта по гранулометрическому составу подсчитывают полные остатки фракции в процентах, т.е. последовательно суммируют процентное содержание (частные остатки) фракций грунта. Полученные результаты полных остатков сравнивают с данными табл. 1 по ГОСТ 25100. Определение наименования грунта производится по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения фракций, т.е. сверху вниз.

7

Примечание. При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40% или глинистого заполнителя более 30% от общей массы воздушно-сухого грунта в наименование крупнообломочного грунта включают наименование вида заполнителя и указывают характеристики его состояния (влажность, плотность, показатель текучести). Вид заполнителя устанавливают после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Если обломочный материал представлен ракушкой в количестве 50% и более, грунт называют ракушечным, если от 25% до 50% , то к наименованию грунта добавляют слова "с ракушкой".

Для построения суммарной кривой или кривой неоднородности подсчитывают количество частиц мельче данного размера (полные проходы) вычитанием из 100% полного остатка каждой фракции.

Результаты испытаний представляют в виде табл. 2.

8

2. Определение гранулометрического состава грунтов ареометрическим методом

Оборудование и материалы: ареометр со шкалой 0,995-1,030;

набор сит от 10 до 0,1, фарфоровая ступка и пестик с резиновым наконечником, сушильный шкаф, эксикатор, фарфоровая чашка, коническая колба с пробкой, с обратным холодильником, мерный цилиндр, термометр

Определение гранулометрического состава глинистых грунтов с выделением в них мелких фракций производится арометрическим методом, т.е при помощи прибора ареометра.

Некоторые определения и понятия:

Ареометр – стеклянный поплавок со шкалой (рис. 1); Суспензия – смесь взвешенных твердых частиц (грунта) в жидко-

сти (в воде); Коагуляция - способность коллоидных частиц свертываться в воде

и выпадать в хлопьевидный осадок; Тарирование – проверка показаний данного прибора и сравнение

их с показаниями контрольных приборов.

Ареометрический метод основан на измерении концентрации суспензии, изменяющейся по мере выпадания из нее более крупных частиц грунта. Этим методом определяют содержание в грунте частиц мельче 0,1 мм. Фракции крупнее 0,1 мм определяют ситовым методом.

Устройство ареометра основано на законе Архимеда: всякое погруженное в жидкость тело теряет в своей массе столько сколько имеет масса вытесненной им жидкости. При постоянном объеме тела (ареометра), погруженного в жидкость, более тяжелой жидкости будет

9

вытеснено меньше, а более легкой - больше. Значит, в легкую жидкость ареометр будет погружаться на большую глубину, а в тяжелую на меньшую. Следовательно, чем больше будет концентрация суспензии, тем меньше глубина погружения ареометра. При отстаивании суспензии частицы грунта осаждаются на дно цилиндра и концентрация суспензии уменьшается, а ареометр постепенно погружается глубже.

Для определения гранулометрического состава ареометрическим методом используют ареометры со шкалой 0,995 – 1,030 и ценой деления 0,001 и аерометры Уральского политехнического института. Подробное описание ареометрического метода дано в ГОСТ 12536.

Порядок испытания

Берут навеску воздушносухого грунта массой 100-200 г, растирают в ступке пестиком, пускают через набор сит с отверстиями 10;5;2;1;0,5 мм и определяют содержание каждой фракции.

Расчет содержания частиц мельче 0,5 мм – мелкозем производится по разности А=100-К, где К - процентное содержание частиц крупнее

0,5 мм.

Частицы грунта мельче 0,5 мм перемешивают в поддоне и способом квартования берут среднюю пробу массой : для супесчаных грунтов – 40 г, для суглинистых – 30, для глины – 20 г. Перед испытанием грунт должен быть проверен на коагуляцию. Дальше будет рассмотрен грунт,который не коагулирует. Взятую навеску помещают в коническую колбу, доливают 10-кратным колическтов воды, взбалтывают и выдерживают 1 сут. Затем в колбу добавляют 1 см3 25-процентного раствора аммиака, закрывают пробкой с обратным холодильником и кипятят 1 ч. Суспензию охлаждают до комнатной температуры и сливают через сито с отверстиями 0,1 мм в литровый цилиндр. Сито устанавливают в воронку диаметром 14 см. Частицы, задержавшиеся на сите, струей воды смывают в фарфоровую чашку и растирают резиновым пестиком. Образовавшуюся в чашке взвесь снова сливают в цилиндр и так делают до тех пор, пока вода в чашке, над осевшими частицами не будет светлой. Оставшиеся на сите частицы соединяют с теми, что остались в фарфоровой чашке, переносят их в заранее взешенный бюкс, выпаривают воду на песчаной бане, высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы и просеивают через сита с размерами отверстий 0,25 и 0,1 мм, остатки на ситах взвешивают и подсчитывают в процентах от количества мелкозема.

Цилиндр с суспензией доливают дистиллированной водой с аммиаком и интенсивно взбалтывают суспензию мешалкой в течении 1 мин

10

(до полного равномерного перемешивания суспензии). Для определения частиц размером < 0,05 мм отсчет по ареометру берут через 1 мин после сливания суспензии. Для этог ареометр опускают за 10 с до назначенного времени так, чтобы он не касался стенок цилиндра. Упрощенный отсчет R0 по ареометру берут по верхнему мениску, после чего ареометр вынимают из суспензии и хранят в цилиндре с дистиллированной водой. Затем замеряют температуру суспензии, а полученные результаты заносят в табл. 3. Поправки к отсчету по ареометру представлены в табл. 4. При необходимости выделения частиц < 0,01 мм время отстаивания 30 мин, при выделении частиц < 0,005 мм время отстаивания 2 ч.

Расчет частиц < 0,05 мм:

где Υ-плотность минеральной части, г/см3 (определяют лабораторным путем либо принимают по специальным справочным данным); К - процентное содержание частиц крупнее 0,5 мм; R – показатель ареометра с поправками.