Міністерство освіти і науки України

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Ґрунтознавство та механіка ґрунтів.

Польові та лабораторні методи визначення властивостей.

Навчальний посібник для студентів спеціальності

«Автомобільні дороги та аеродроми»

Харків 2011

РОЗДІЛ І. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ

Теоретичні відомості

Ґрунт це самостійне природно-історичне органо-мінеральне тіло, яке виникло на поверхні земної кори внаслідок тривалої взаємодії біотичних, абіотичних і антропогенних чинників, має специфічні генетико-морфологічні ознаки і властивості, головною з яких є родючість [8]. В будівельній практиці використовується наступне визначення: ґрунт – кожна гірська порода чи рос­линний ґрунт (а також тверді відходи виробничої та госпо­дарської діяльності людини), які становлять багатокомпо­нентну систему, що змінюється за часом, і використовується як основа, середовище або матеріал для зведення будинків та інженерних споруд [5].

Ґрунти утворюються в результаті довготривалих різноманітних геологічних процесів і уявляють собою досить складне поєднання часток мінерального і органічного походження різноманітної форми і розмірів. Проміжки між ґрунтовими частками (пори) зазвичай заповнені повітрям, різними газами та водою, яка може знаходитися в твердому, рідкому та газоподібному стані. У дорожньому ґрунтознавстві ґрунт розглядається як полідисперсна багатофазна система.

Фаза ґрунту – сукупність однорідних частин ґрунту, однакових за певними властивостями, не залежними від маси [6].

Фазовий склад ґрунту – тверда, рідка, газоподібна та жива фази ґрунту [6].

Тверда фаза ґрунту – гетерогенна полідисперсна система ґрунту, що складається з мінеральних, органо-мінеральних і органічних часток різного розміру [6].

Рідка фаза ґрунту (ґрунтовий розчин) – вода з розчиненими в ній мінеральними та органічними речовинами, що містяться в ґрунті у вільному та зв'язаному стані [6]. Вода може заповнювати частково або повністю пори в ґрунтовому масиві, активно взаємодіяти з ґрунтовими частками.

Газоподібна фаза ґрунту (газова фаза ґрунту) – повітря, що міститься в капілярних і некапілярних порах ґрунту і за складом відрізняється від атмосферного повітря [6]. Повітря, яке знаходиться в порах ґрунту може мітити домішки різних газоподібних речовин, в тому числі пароподібної вологи. Повітря може сполучатися з атмосферою або бути затисненим у порах.

Жива фаза ґрунту – сукупність організмів, що існують у твердій та рідкій фазах ґрунту [6].

Дисперсною фазою є тверді частки ґрунту (скелет), а дисперсною середою – вода, що знаходиться в порах ґрунту (двохфазна система, або двохфазний ґрунт). Якщо в порах ґрунту міститься ще й повітря, ґрунт уявляє собою трифазну систему (трифазний ґрунт).

Рідка і газоподібна фази у порах ґрунту рухомі, їх кількість може різко мінятися.

Зміна вологості масиву приводить до зміни його фізичних і механічних властивостей.

Для оцінки фізичних властивостей дисперсних ґрунтів застосовуються такі характеристики [5,6]:

	- щільність ґрунту, г/см3;
d	- щільність сухого ґрунту, г/см3;
s	- щільність ґрунтових часток, г/см3;
W	- вологість ґрунту в долях одиниці або %;
n	- пористість ґрунту, в долях одиниці;
е	- коефіцієнт пористості ґрунту;
Sn	- ступінь вологості ґрунту;
w	- щільність води, г/см3;
Wпр	- природна вологість ґрунту, %
Wт	- вологість ґрунту на межі текучості, %
Wг	- гігроскопічна вологість, %
Wроз	- вологість на межі розкочування, %

Щільність ґрунту – маса одиниці об’єму ґрунту [5].

Щільність сухого ґрунту – відношення маси ґрунту за відрахуванням маси води та льоду в його порах до його первісного об’єму [6].

Абсолютно сухий ґрунт – ґрунт висушений до постійної маси при температурі плюс 105 °С на протязі 2-х годин (ґрунт що втратив всю вологу, в тому числі плівкову) [6].

Повітряно-сухий стан ґрунту – стан ґрунту, що висушений на повітрі [6].

Водонасичений стан ґрунту – стан ґрунту при практично повному заповненні пор ґрунту водою [6].

Щільність часток ґрунту – маса одиниці об’єму твердих (скелетних) часток ґрунту [5].

Коефіцієнт пористості - відношення об'єму пор до об'єму твердих часточок ґрунту [5].

Вологість ґрунту – відношення маси води в об’ємі ґрунту до маси цього ґрунту, який висушено до постійної маси [5].

Природна вологість ґрунту – кількість води, що міститься в порах ґрунту в умовах природного залягання [8].

Гігроскопічна вологість – вологість ґрунту в повітряно-сухому стані, тобто у стані рівноваги з вологістю та температурою навколишнього повітря [5].

Границя текучості – вологість ґрунту, при якій ґрунт знаходиться на границі пластичного і текучого станів [5] (верхня границя пластичності).

Границя розкочування – вологість ґрунту, при якій ґрунт знаходиться на границі твердого і пластичного станів [5] (нижня границя пластичності).

Поміж характеристиками ґрунту існує певна залежність.

Умовний розподіл компонентів ґрунту представляється у вигляді одиниці об’єму.

Рис. 1.1. Співвідношення між фазами

Відносний об’єм ґрунту:

n + m, (1.1)

де n – відносний об’єм пор в ґрунті V_n:

m – відносний об’єм ґрунтових часток V_s;

; (1.2)

; (1.3)

; (1.4)

, (1.5)

де V_m – відносний об’єм води в ґрунті.

; (1.6)

, (1.7)

де е – коефіцієнт пористості ґрунту.

Загальний об’єм зразка ґрунту (відносний)

. (1.8)

Дослідження ґрунтів в лабораторіях проводяться на зразках, взятих у шурфах і свердловинах з непорушеним и порушеним складом. Відбирання, пакування, зберігання і транспортування зразків проводяться згідно з [9].

Цілик ґрунту – частина ґрунту непорушеного складання циліндричної форми, що вирізана (розкрита по боковій поверхні) в масиві та з'єднана з ним по площині основи [5].

Масив ґрунту – визначений об'єм ґрунту природного стану, призначений для випробувань на зріз без буріння свердловин та проходки гірських виробок [5].

Метод відбору зразків ґрунту борозною – відбір зразків ґрунту порушеного складання, стійкого у стінках гірських виробок, влаштуванням борозни, шириною 10-20 см и глибиною 5-10 см с метою отримання необхідної маси зразка [9].

Ґрунтонос – пристрій для відбору зразків ґрунту непорушеного складання (ціликів ґрунту) [9].

Двійна колонкова труба – колонкова труба з концентрично з’єднаними внутрішньої і зовнішньої трубами, призначена для збереження керна (зразка) від розмиву і стирання [9].

Керн – зразок (стовпчик) ґрунту, що утворюється в результаті кільцевого руйнування ґрунту забою свердловини [9].

Колонковий набір – буровий інструмент, призначений для кільцевого руйнування ґрунту, приймання та збереження керна [9].

Колонкова труба – частина колонкового на­бору, призначена для приймання та збереження керна [9].

Зразок ґрунту порушеного складання – маса ґрунту, в якій при відборі з масиву ґрунту змінилось природне складання та (або) вологість ґрунту [9].

Зразок ґрунту непорушеного складання (моноліт) – зразок ґрунту певної фор­ми, в якому при відборі и масиву ґрунту зберігаються непорушене складання і вологість ґрунту [9].

Інструмент, що руйнує породу – частина колонкового набору, котра безпосередньо руйнує ґрунт під час буріння свердловини [9].

Точковий метод відбору зразків ґрунту – відбір зразків ґрунту непорушеного або непорушеного складання (ціликів ґрунту) з точки масиву ґрунту [9].

Відбір зразків. Відбір зразків ґрунту порушеного або непорушеного складання (монолітів) виконують в залежності від властивостей ґрунту і цільового призначення інженерно-геологічних робіт [9]. Зразки ґрунту відбирають із забоїв і стінок гірських виробок (шурфів, котлованів, бурових свердловин і тому подібне), природних і штучних оголень, дна акваторій. Моноліти відразу після відбору мають бути орієнтовані (відзначають верх моноліту). Розміри зразків і їх число мають бути достатніми для виконання необхідного комплексу лабораторних робіт по визначенню складу, стану і властивостей ґрунту, у відповідності до вимог нормативних документів щодо визначення властивостей ґрунтів. Мінімальні розміри проб повинні відповідати [9].

Для відбору зразків ґрунту непорушеного складання з відкритих гірських виробок (шурф, канава, оголення і так далі) використовують лопату, ніж, зубило, молоток, лом і ін., а також відбірники проб (ґрунтоноси) різних конструкцій. Для відбору зразків ґрунту порушеного складання з бурових свердловин в залежності від виду ґрунту і його стану застосовують відповідний буровий інструмент. Для відбору монолітів з бурових свердловин використовують одинарні і подвійні колонкові труби, віброзонди або ґрунтоноси у відповідності до додатку 2 [9].

Зразки ґрунту порушеного складання природних дисперсних, мерзлих і техногенних ґрунтів необхідне відбирають з відкритих гірських вироблень борозенним методом, а з бурових свердловин – точковим методом. Відбір зразків з відкритих вироблень слід виконувати з лунки на дні вироблення або борозни на її стінці після попереднього видалення усохлого або розмоченого ґрунту. Під час відбору зразків мерзлого ґрунту необхідно дотримуватися вимог [9].

При відборі монолітів з гірських вироблень застосовують точковий метод відбору. Моноліти, у яких зберігається форма без жорсткої тари, відбирають за допомогою ножа, лопати і ін. у вигляді шматка ґрунту (зазвичай у вигляді куба або паралелепіпеда). У інших випадках застосовують ріжуче кільце. Моноліти скельного, рихлого і мало міцного, а також крупно уламкового ґрунту допускається відбирати способом насадження тари на зразок. З бурових свердловин моноліти слід відбирати ґрунтоносами з рівня зачищеного забою свердловини.

Для відбору монолітів скельних, дуже щільних і щільних ґрунтів слід застосовувати одинарні колонкові труби; рихлих та водопроникних ґрунтів – подвійні колонкові труби. Під час відбору проб слід встановлювати параметри буріння, згідно [9].

Упаковка зразків. Для упаковки зразків ґрунту порушеного складання застосовують тару, що забезпечує збереження дрібних частинок ґрунту (мішки з синтетичної плівки, щільної тканини або водостійкого паперу); для зразків, що вимагають збереження природної вологості, застосовують металеві (стійки до корозії) або пластмасові банки з кришками, що герметично закриваються. Для упаковки монолітів тару слід виготовляти з стійких до корозії матеріалів (парафінований папір, пластмаса і тому подібне). Для ізоляції монолітів застосовують парафін нафтової марки НВ 56-58 по [10] з добавкою 35-50 % (по масі) гудрону, марлю, ізоляційну стрічку. Допускається для ізоляції монолітів застосовувати замість суміші парафіну з гудроном замінники: суміш 60 % парафіну, 25 % воску, 10 % каніфоль і 5 % мінерального масла або суміш 37,5 % воску, 37,5 % каніфоль, 25 % окисли заліза; церезин по [11]. Ґрунт повинен заповнити тару повністю. Зразки ґрунту, призначені для визначення вологості, необхідно зважити відразу після відбору. Всередину тари разом із зразком ґрунту порушеного складання укладають етикетку, загорнуту в кальку, покриту шаром парафіну з гудроном; другу етикетку наклеюють на тару. Зміст етикетки допускається наносить інформацію на тару. Моноліт не мерзлого ґрунту, відібраний без жорсткої тари, слідує негайно ізолювати способом парафінування, та ізолювати належним чином. Моноліти не мерзлого ґрунту, відібрані в жорстку тару або поміщені в неї після відбору, мають бути негайно упаковані.

На етикетці зразка необхідно вказати: найменування організації, що проводить дослідження; найменування об'єкту (ділянки); найменування вироблення і номер; глибину відбору зразка; короткий опис ґрунту (візуальний); посаду і прізвище особи, що виконала відбір зразків, і його підпис; дату відбору зразка. Зразки ґрунту, призначені для транспортування в лабораторії, необхідно упаковувати в ящики (термоси). Моноліти не мерзлих ґрунтів укладають в ящики з шаром стружки або тирси на дні завтовшки не менше 5 см. Моноліти мерзлих ґрунтів укладають в спеціальні термоси. При укладанні моноліти відокремлюють від стін термоса щільним шаром заповнювача завтовшки 3-4 см і один від одного шаром завтовшки 2-3 см. Під кришку кладуть загорнуту у кальку відомість зразків. Ящики належить пронумерувати, забезпечити написами: «Верх», «Не кидати» і «Не кантувати», а також адресами одержувача і відправника.

Транспортування і зберігання зразків. У лабораторію, розташовану поблизу місця відбору, зразки допускається транспортувати без ящиків, але з обов'язковим дотриманням заходів захисту від пошкодження ізоляційного шару зразків і підсихання ґрунту. Моноліти ґрунту при транспортуванні не повинні піддаватися різким динамічним і температурним діям. Моноліти не мерзлих ґрунтів, упаковані у ящики, необхідно транспортувати при позитивній температурі навколишнього повітря, а моноліти мерзлих ґрунтів - при від’ємній температурі повітря або транспортом, обладнаним холодильними камерами. Упаковані зразки ґрунту, що доставлені в лабораторію без документації, не приймають і не випробовують. Упаковані зразки ґрунту порушеного складання, для яких потрібне збереження природної вологості, а також упаковані моноліти слід зберігати в приміщеннях або камерах, в яких повітря має відносну вологість 70-80 % і температуру плюс 2-10 °С; при зберіганні монолітів мерзлого ґрунту - відносну вологість 80-90 % і від’ємну температуру. При зберіганні моноліти не винні піддаватися різким динамічним діям, торкатися один одного і стійок полиць; повинні розміщуватися на полицях приміщення (камери) всією нижньою поверхнею в один ярус, етикетками зверху. На монолітах забороняється розташовувати будь-які предмети. Термін зберігання упакованих зразків ґрунту порушеного складання, для яких потребується збереження природної вологості, з моменту відбору до початку лабораторних випробувань не повинен перевищувати 20 діб. Терміни зберігання монолітів не мерзлого ґрунту з моменту відбору до початку лабораторних випробувань не повинен перевищувати 1,5 місяці для скельних ґрунтів, пісків, глинистих ґрунтів твердої і напівтвердої консистенції; 1 місяць для інших різновидів ґрунтів. Зразки мерзлого ґрунту допускається зберігати не більше 10 діб.

Лабораторна робота 1 вологість ґрунту

Вологість є однією з найважливіших характеристик ґрунту, яка істотно впливає на його фізико-механічні властивості. Ґрунт є складною дисперсною системою, тому наявність води в ґрунті забезпечує його зв’язність, пластичність та інші властивості. Надмірне зволоження ґрунту призводить до його перетворення у в’язку густу рідину, та істотному зменшенню механічних властивостей.

Методи визначення вологості можна розділити на лабораторні методи і експрес методи, або польові методи. Найбільш досконалим лабораторним методом є метод висушування до постійної маси. Перевагами цього методу є те, що він може використовуватися для всіх типів ґрунтів, має найбільшу точність. Недоліком цього методу є значна тривалість (в залежності від типу ґрунту). Під час будівництва автомобільних доріг та інших об’єктів виникає потреба швидкого визначення вологості ґрунту. В таких випадках можуть використовуватися польові або експрес методи. Точність таких методів менша, ніж лабораторних, але в більшості випадків достатня для прийняття відповідних рішень. В основу польових методі в покладені різні принципи: гідростатичного зважування, хімічна реакція, зміна фізичних властивостей зволожених ґрунтів. Як правило, всі польові методи потребують відповідного тарування, під час якого вологість, визначена методом висушування до постійної маси, є еталонним показником.

Завдання 1 визначення вологості ґрунту методом висушування до постійної маси

Визначення вологості ґрунту методом висушування до постійної маси регламентується [12] (табл. 1). Висушування ґрунтів виконується за певної температури. Температура випробувань дозволяє подолати сили молекулярного тяжіння між частками ґрунту і водою і видалити всю воду, в тому числі і плівкову. В той же час перевищувати температуру неможна, оскільки може відбуватися вигоряння органічних речовин (які можуть міститися в ґрунті), і їх вага буде врахована у вологість.

Після висушування стаканчики витримують в ексикаторі з хлористим кальцієм для запобігання поглинання ґрунтом вологи з повітря.

Прилади та обладнання

Ваги електронні [13] (рис. 1.2) або лабораторні загального призначення [13] з комплектом гир [14], стаканчики алюмінієві з кришками (типу ВС-1), сушильна шафа (рис. 1.3), ексикатор [15,16] з хлористим кальцієм [17] (рис. 1.4), тигельні щипці, термометр [18].

Рис. 1.2 Ваги електронні лабораторні

Підготовка до випробування

1. Пробу ґрунту для визначення вологості відбирають масою 15-50 г, поміщають в наперед висушений, пронумерований стаканчик щільно закривають кришкою і зважують m₀.

2. Для визначення гігроскопічної вологості пробу ґрунту масою 10-20 г відбирають методом квартування з ґрунту в повітряно-сухому стані, розтертого, просіяного через сито з отвором 1 мм та витриманого відкритим не менше 2 год. при даній температурі та вологості повітря.

Рис. 1.3. Сушильна шафа

Рис. 1.4. Ексикатор

Проведення випробування

1. Зважують пробу ґрунту в закритому стаканчику m₁.

2. Відкритий стаканчик з ґрунтом та кришкою поміщають в нагріту сушильну шафу (рис. 1.3).

Висушування проводять при температурі (1052) С. Загіпсовані ґрунти висушують при температурі (802) С Піщані ґрунти висушують протягом 3 год., інші – протягом 5 год. Наступні висушування піщаних ґрунтів проводять протягом 1 години, інші – протягом 2 годин.

Після кожного висушування ґрунт в стаканчику охолоджують в ексикаторі з хлористим кальцієм до температури приміщення та зважують m₂. Висушування проводять до отримання різниці мас ґрунту з стаканчиком при двох послідовних зважуваннях не більше 0,02 г.