Механика грунтов. Методические рекомендации

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Савельев А.В.

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Методические рекомендации

Альтаир–МГАВТ Москва

2014

УДК 624.15:075.8

А.В. Савельев.

Механика грунтов. Методические рекомендации. — М.: Альтаир–МГАВТ, 2014 г.,

35 с.

Методические рекомендации предназначены для выполнения лабораторных работ (в

объеме18 часов) для студентов, обучающихся по:

-направлению подготовки 270800.62 «Строительство» профиль «Гидротехническое строительство» по дисциплине «Механика грунтов»;

-специальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений» специализация «Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности» по дисциплине «Механика грунтов, основания и фундаменты сооружений».

Методические рекомендации разработаны согласно соответствующим Стандартам с учетом отведенного учебным планом времени для студентов очной и заочной формы обучения.

Рекомендации дают возможность студентам подготовиться и провести самостоятельно, без дополнительных пояснений, лабораторные работы, предусмотренные рабочей программой.

Рецензент — к.т.н., профессор И.А. Румянцева.

Рекомендовано к изданию Учебно–методическим советом МГАВТ.

Рассмотрено и рекомендовано к использованию в учебном процессе на заседании кафедры «Водные пути и порты» (протокол №82 от 03.12.2013г).

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедра, выпускающие учебно-методические материалы.

© МГАВТ, 2014

© А.В. Савельев, 2014

3

Введение

Нередко сооружения теряют свою эксплуатационную пригодность (разрушаясь полностью или частично, деформируясь вне допустимых пределах и т.п.) не из-за того,

что само сооружение или его отдельные конструктивные части недостаточно прочные, а

из-за того, что основание оказалось недостаточно прочным или излишне деформируемым. Основание может оказаться недостаточно прочным или излишне деформируемым по ряду причин: из-за ошибок в расчетах оснований и даже из-за нарушений технологии строительства сооружения, в частности при устройстве котлована и подготовке основания, из-за недоброкачественных инженерно-геологических изысканий, из-за недоброкачественного определения показателей физических, физико-

химических и физико-механических свойств грунтов. Чтобы сделать основание надежным инженер — строитель должен уметь давать правильную оценку грунтам основания, в частности правильно их классифицировать, уметь определять показатели их свойств. Поэтому в учебном плане и в программах курсов «Механика грунтов», «Механика грунтов, основания и фундаменты» предусмотрен ряд лабораторных работ,

которые студент в процессе изучения упомянутых курсов обязан выполнить.

Если студент по какой-либо уважительной причине пропустил ту или иную лабораторную работу, предусмотренную программой изучения курса и проводимую в часы, отведенные календарно-тематическим планом и расписанием, то он ее обязан физически отработать в дни и часы, назначаемые кафедрой. В противном случае

студент до экзаменов не допускается, как не выполнивший план.

Показатели различных свойств грунтов определяют в соответствии с Государственными стандартами — ГОСТами. Для определения некоторых отдельных показателей требуется несколько часов или несколько суток, и даже несколько недель. В

учебном плане такое продолжительное время не предусмотрено. Поэтому в учебных целях лабораторные работы студенты выполняют по упрощенной и сокращенной методике.

4

Лабораторная работа № 1

1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

По результатам данной лабораторной работы необходимо определить три классификационных показателя песчаного грунта: гранулометрический состав, коэффициент пористости е и степень влажности Sr. Получив численные значения этих показателей необходимо согласно ГОСТу 25100 – 95 определить наименование грунта.

1.1.Определение гранулометрического состава грунта

При классифицировании песчаных грунтов гранулометрический состав необходим для устанавливания типа грунта — наименование песка по крупности составляющих его частиц.

Согласно ГОСТу гранулометрический состав грунта определяют по весовому содержанию (по массе) в нем частиц различной крупности, выраженное в процентах по отношению к массе воздушно-сухой пробы грунта, взятой для анализа. При этом частицы определенных размеров объединяют в группы, именуемые фракциями.

Разделение песчаного грунта на фракции производят просеиванием его сквозь набор сит. Стандартный набор состоит из поддона, сит с размерами 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм и крышки. Сита монтируют в колонну, размещая их от поддона в порядке увеличения размера отверстий. В верхнее сито высыпают заранее отобранную пробу воздушно-сухого грунта массой 500 г и закрывают крышкой. Просеивание производят ручным способом. Полноту просеивания проверяют встряхиванием каждого сита над листом бумаги. Бумага по возможности должна быть светлого цвета.

Сначала проверяют полноту просеивания сквозь верхнее сито. Если при встряхивании сита на лист бумаги выпадают частицы, то их высыпают на следующее сито. Встряхивание продолжают до тех пор, пока на бумагу перестанут падать частицы. Затем крышку надевают на следующее сито и продолжают просеивание. И так проверяют полноту просеивания сквозь все сита.

Фракции частиц, задерживающихся после полного просеивания на каждом сите и прошедшие сквозь последнее (нижнее) сито в поддон, взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г, получая массу каждой фракции.

После определения массы тф каждой фракции частиц, массы всех фракций суммируют получая массу т. Если полученная суммарная масса всех фракций частиц т превышает более чем на 1 % массу взятой анализа пробы грунта, то анализ необходимо повторить. Для

5

этого следует отобрать другую (новую) пробу. Если при просеивании произошла потеря грунта, то эту потерю разносят по всем фракциям пропорционально их массе.

Содержание в грунте каждой фракции в процентах по массе вычисляют по формуле

где А — содержание какой-либо (данной) фракции по массе, %; тф — масса какой-либо фракции, г; т — масса всей пробы, взятой для анализа, г.

Результаты анализа следует свести в таблицу (см. таблицу 1.1).

Таблица 1.1.

Гранулометрический состав грунта

Для установления типа песчаного грунта в соответствии с ГОСТом 25100-95

«Грунты». Классификация» (см. приложение 1) целесообразно составить таблицу (см. табл. 1.2) суммарного процентного содержания частиц в грунте.

Суммарное содержание частиц, %

Вывод: песчаный грунт, имеющий ... % частиц крупнее ... мм, согласно ГОСТу относится к ... (гравелистым, крупным, средней крупности, мелким, пылеватым) пескам.

1.2. Определение коэффициента пористости грунта

При классифицировании песчаных грунтов коэффициент пористости е необходим для установления вида грунта - наименование песка по плотности его сложения.

Для определения численного значения коэффициента пористости необходимо иметь численные значения всех трех основных показателей физических свойств грунта: его плотности р, влажности W плотности рs его твердых частиц. Кроме того, необходимо иметь численное значение производного показателя — плотности рd сухого грунта.

1.2.1. Плотность грунта определяют методом режущего кольца,

как отношение массы т образца грунта к его объему V. Режущее грунтоотборочное кольцо должно иметь внутренний диаметр d не менее 70 мм, высота кольца h — более 0,5d, но не

6

более d. Взяв кольцо, измеряют с точностью 0,1 мм внутренний диаметр и высоту кольца,

вычисляют, с точностью до 0,1 см3, внутренний объем кольца. Объем кольца равен объему V

образца грунта. Затем кольцо с двумя пластинками -— крышками взвешивают, получая массу т1.

На режущее кольцо надевают насадку и плавно, без перекосов вдавливают в грунт и удаляют его с внешней стороны кольца. Затем, сняв насадку, зачищают поверхность грунта и покрывают кольцо пластинкой. Подрезая грунт снизу плоской лопаткой кольцо с грунтом переворачивают, зачищают поверхность и покрывают второй пластинкой. Грунт, если он прилип с внешней стороны кольца удаляют и кольцо с грунтом и пластинками взвешивают,

получая массу m2. Плотность грунта р, г/см3, вычисляют по формуле

где m2 - масса кольца с грунтом и пластинками, г; т1 - масса пустого кольца с пластинками,

г; V- объем образца грунта в кольце, см3.

Определение плотности грунта целесообразно свести в таблицу (см. табл. 1.3.)

1.2.2. Влажность грунта W определяют методом высушивания его образцов до

постоянной массы в сушильном шкафу при температуре + (105 ± 2)°С, как отношение массы

тw воды, удаленной из грунта высушиванием, к массе высушенного грунта (к массе тs его твердых частиц). Для этого берут заранее высушенный стеклянный или алюминиевый стаканчик с крышкой, взвешивают их, получая массу т1, помещают в него пробу (образец)

грунта, закрывают крышкой и взвешивают, получая массу m2 стаканчика с влажным грунтом и крышкой.

Стаканчик открывают и вместе (рядом) с крышкой помещают в уже нагретый сушильный шкаф, в котором они должны находиться в течении 3 часов. Потом их вынимают, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. После взвешивания снова помещают в сушильный шкаф и высушивают в течение одного часа, снова взвешивают и помещают в сушильный шкаф. Все последующее высушивание производят в течение 1 часа. И так продолжается до тех пор, пока при двух каких-то последующих взвешиваниях разность масс составит не более 0,02 г. В этом случае грунт считается высушенным, его масса - это масса частиц образца грунта тs. Последнее взвешивание стаканчика с грунтом и крышкой дает массу т3. Разность масс m2 стаканчика с грунтом и крышкой до высушивания и т3 после высушивания дает массу тw воды, находившейся в образце грунта до высушивания, тw= m2 -

т3, а разность масс т3 стаканчика с грунтом и крышкой после высушивания и т1 пустого стаканчика с крышкой дает массу частиц грунта, тs= m3 – т1. Влажность грунта вычисляют

где m2 — масса стаканчика с пробой грунта и крышкой, г; т3 — масса стаканчика с высушенной пробой грунта и крышкой, г; т1 — масса пустого стаканчика с крышкой, г.

где р — плотность исследуемого грунта, г/см3; W — влажность грунта, г/г.

1.2.4. Плотность рs частиц грунта определяют как отношение массы тs частиц к их суммарному объему Vs.

Объем Vs, и массу тs частиц грунта определяют с помощью специальной колбы емкостью не менее 100 см3, именуемой пикнометром. Пикнометр взвешивают получая массу

т1, затем в него примерно 1/3 его вместимости наливают дистиллированную воду и взвешивают его, получая массу m2. Берут предварительно высушенную до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре + 105°С навеску грунта массой около 15 г на каждые

100 см3 вместимости пикнометра, высыпают ее в пикнометр с водой и взвешивают, получая массу т3 - Вычитая из массы т3 (пикнометра с водой и грунтом) массу m2 (пикнометра с водой) получаем массу т4 сухого грунта, т. е. массу частиц тs (т4= тs= т3 - m2) внесенного в пикнометр грунта. Затем в пикнометр доливают воду до мерной черты на горлышке, а в случае применения пикнометра с капилляром в пробке - до шейки пикнометра. Пикнометр тщательно вытирают фильтровальной бумагой и взвешивают, получая при этом массу т5

пикнометра с грунтом и водой, заполненной пикнометр до мерной черты на его горлышке.

После этого пикнометр освобождают от грунта и воды, ополаскивают и вливают в него до мерной черты (или до шейки) воду, тщательно вытирают и взвешивают получая массу т6

пикнометра полностью заполненного только водой. Тогда не трудно увидеть, что (т4+ т6-

т5) — это масса вытесненной твердыми частицами воды (в объеме твердых частиц,

помещенных в пикнометр), а суммарный объем Vs твердых частиц в навеске грунта,

помещенного в пикнометр, будет равна [(т4+ т6- т5) ∕ рW] где рW — плотность воды в г/см3.

где т4= тs ,— масса частиц в навеске грунта, помещаемого в пикнометр, г; т6 — масса пикнометра, полностью заполненного только водой, г; т4 —масса пикнометра с навеской грунта и водой, заполненной пикнометр до мерной черты на горлышке, г; рW — плотность воды, г/см3.

8

Определение плотности частиц р5 целесообразно свести в таблицу (см. табл. 1.5).

1.2.5. Коэффициент пористости е исследуемого грунта, вычисляют по формуле

где рs — плотность частиц грунта, г/см ; рd — плотность сухого грунта, г/см3.

Имея численное значение коэффициента пористости е устанавливают вид песчаного грунта — плотность его сложения.

Вывод: песок ... (гравелистый, крупный, средней крупности, мелкий, пылеватый),

имеющий коэффициент пористости е = ...., согласно ГОСТу, относится к пескам ....

(плотного, средней плотности, рыхлого) сложения.

1.3. Определение степени влажности грунта

При классифицировании песчаных грунтов степень влажности Sr необходима для установления одной из его разновидностей, а именно: маловлажные, влажные,

насыщенные водой (см. приложение 3). Степень влажности грунта (степень заполнения его пор водой) определяют как отношение имеющейся влажности W грунта к его влажности

где W, рs, е, рW — показатели, названные выше, смотри, например, формулы (1.2), (1.4),

(1.6).

Вывод: песок, имеющий степень влажности Sr ..., согласно ГОСТу, относится к ...

(насыщенным водой, влажным, маловлажным).

Итогом данной лабораторной работы должно быть заключение: «Следовательно,

исследуемый грунт — песок ... (гравелистый, крупный, средней крупности, мелкий,

пылеватый), ... (плотного, средней плотности, рыхлого) сложения. ... (маловлажный,

влажный, насыщенный водой)».

Таблица 1.3.

Определение плотности грунта

9

Таблица 1.4.

Определение влажности грунта

Таблица 1.5.

Определение плотности частиц

10