Лабораторная работа № 1

Определение плотности грунта и плотности частиц грунта

1. Плотностью грунта называется отношение массы грунта, включая массу воду в его порах, к занимаемому этим грунтом объему. Плотность грунта измеряется в г/см3, т/м3

(1)

Величина плотности изменяется в пределах 1,4-2,2 г/см3 и зависит от пористости, влажности и минералогического состава частиц, слагающих скелет грунта.

Существует несколько методов определения плотности грунта, отличающихся методикой измерения его объема. На практике чаще всего применяются: метод непосредственных измерений; метод парафирования; метод режущих колец.

Метод непосредственных измерений применяется для определения плотности связанных грунтов в полевых условиях. Из грунта вырезается образец в виде куба или призмы. Неточное измерение объема приводит к погрешности определения плотности до 10%.

Метод парафинирования применяется для грунтов с твердыми включениями или склонных к крошению, для которых невозможно вырезать образец правильной формы или вдавить режущее кольцо. Объем образца грунта определяется в этом случае после его парафинирования путем погружения в воду по объему вытесненной воды.

Метод режущих колец применяется для определения плотности грунта, в который можно вдавить металлическое кольцо с острыми кромками. В соответствии с ГОСТ 5180-84 кольцо-пробоотборник должен иметь форму цилиндра с заостренным снаружи нижним краем с внутренним диаметром 50 мм для глинистых грунтов и 70 мм для песчаных грунтов и высотой от половины до одного диаметра. Толщина стенок кольца 1,5-2,0 мм.

Лабораторная работа выполняется методом режущих колец. Сущность метода заключается в том, что образец грунта отбирается в кольцо с известным внутренним объемом. Определив массу грунта и разделив ее на объем, получают значение плотности.

Необходимое оборудование и материалы: монолит грунта, кольцо-пробоотборник, штангенциркуль, нож с прямым лезвием, лабораторные весы с гирями, винтовой пресс.

Методика определения

1. C помощью штангенциркуля измеряются высота кольца и его внутренний диаметр. Вычисляется внутренний объем кольца – V.
2. На лабораторных весах определяется масса режущего кольца m₁ .
3. Производится отбор грунта из монолита в кольцо. Кольцо устанавливается режущей кромкой на выровненную поверхность монолита и слегка вдавливается в грунт. Затем грунт вокруг кольца удаляется так, чтобы ниже кольца образовался грунтовый столбик высотой 10-20 мм и диаметром на 10-15 мм большим внутреннего диаметра кольца; одновременно, по мере срезки грунта легким надавливанием пресса кольцо насаживается на грунт. Производится подрезка грунта на 3-4 мм ниже режущей кромки грунта, после чего удаляются излишки грунта в ровень с верхним и нижним краями кольца.
4. На лабораторных весах определяется масса кольца с грунтом m₂ .
5. Определяется плотность грунта по формуле.

(2)

1. Для каждого монолита грунта производится не менее двух определний плотности. Расхождения в результатах параллельных определений более 0,03 г/см³ не допускается. За величину плотности грунта принимается среднее арифметическое значение.

Результаты определения ρ заносятся в таблицу 1.

Таблица 1

№№ опы-тов	масса, г	размеры кольца, мм	объем грунта, см3 V	плотность грунта, г/см3
пустого кольца m1	кольца с грунтом m2	грунта m2-m1	внутренний диаметр,d	высота, h	отдель-ной пробы ρ	средняя ρср

2. Под плотностью частиц грунта понимается отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его парах) к объему твердой части этого грунта.

Плотность частиц грунта зависит от его минералогического состава. С увеличением содержания в грунте тяжелых железосодержащих минералов плотность частиц грунта возрастает. При наличии в грунте гумуса и органических веществ плотность частиц грунта снижается. Для ориентировочных расчетов плотность частиц грунта может приниматься равной для песков – 2,66, супесей – 2,70, суглинков – 2,71 и глин – 2,74 г/см³. Значение плотности частиц грунта используется при расчете пористости, коэффициента пористости, степени влажности и в ряде других определений.

Плотность частиц грунта определяется по ГОСТ 5181-78 с помощью пикнометра в дистиллированной воде или нейтральной жидкости (керосин, бензин и т.д.).

Адсорбированной на поверхности частиц воздух, при помещении их в жидкость удаляется кипячением (воды) или вакуумированием (нейтральной жидкости).

Выполнение этой работы требует больших затрат времени, поэтому студенты з/о изучают этот вопрос теоретически

Лабораторная работа № 2

Определение гранулометрического состава несвязных грунтов

В природе редко встречаются глинистые, песчанистые и гравелистые породы, состоящие из одной фракции. В инженерно-геологической практике при классификации дисперсных пород учитывается содержание в них глинистых, алевритовых (пылеватых), песчаных и гравийных фракций. Показатель зернового (гранулометрического) состава грунта применяется для классификации, приближенного вычисления коэффициентов фильтрации, подбора оптимальных смесей грунта и материалов для обратных фильтров, выбора отверстий фильтров, определения возможности механической суффозии и т.д. Под зерновым составом понимается содержание по массе групп частиц грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта. Группы частиц более или менее одинакового размера называются фракциями. В зависимости от процентного соотношения различных фракций крупнообломочные и песчаные сыпучие породы при строительстве дорог, гражданских и промышленных зданий и других сооружений классифицируются согласно таблицы 2. По данным зернового состава породы может быть получена приблизительная характеристика водопроницаемости песчаных пород; по тем же данным могут быть даны оценка возможности вымывания мелких песчаных частиц породы из-под основания сооружений и другие приблизительные показатели. На основании данных анализа зернового состава может быть дана оценка пород в качестве материала для бетона, земляных плотин, дамб и др.

Крупнообломочные грунты состоят в основном из угловатых или окатанных обломков горных пород размером более 2 мм. Форма обломков, их размер и характер заполнителя определяется генезисом породы. Выделяются элювиальные, пролювиальные, аллювиальные, морские, озерные и водно-ледниковые крупнообломочные грунты различающиеся степенью отсортированности, окатанности и различными значениями пористости, сжимаемости, сопротивления сдвигу. Например, морские галечники хорошо отсортированы, содержат очень небольшое количество заполнителя и имеют высокую водопроницаемость, они практически несжимаемы, могут обладать пониженным сопротивлением сдвигу, вследствие того, что округлые гальки имеют гладкую, отшлифованную поверхность.

Песчаные грунты сложены угловатыми и окатанными обломками минералов, размером от 2 до 0,005 мм (мелкозернистые пески имеют размеры 0,1-0,25 мм). Основная масса песков состоит из кварца и полевых шпатов. В качестве примесей всегда присутствуют другие минералы – силикаты, глинистые и т. д. Пористость песков в рыхлом состоянии около 47%, а в плотном – до 37%. Рыхлое сложение легко переходит в плотное при водонасыщении, вибрации и динамических воздействиях. Плотность песков оценивается по значению коэффициента пористости е: плотное сложение (для мелкозернистых песков е<0,60), средней плотности (0,60 е 0.75) и рыхлое (е>0,75). За счёт открытой пористости пески всегда водопроницаемы. В плотном сложении пески хорошо воспринимают нагрузки и рассеивают напряжение в основаниях под фундаментами. Модуль деформации мелкозернистых песков колеблется от 30 до 50 Мпа. Пески в строительстве имеют широкое применение. Они являются надёжным основанием, служат хорошим материалом для изготовления различных строительных изделий, цементных растворов и т. д. Применимость песков, как сырья для производства строительных материалов, находится в зависимости от крупности частиц и основного в количественном отношении минерала, а также от примесей, таких как слюды, соли, гипс, глинистые минералы, гумус. Эти примеси в ряде случаев ограничивают использование песков. По генезису выделяются элювиальные, делювиальные, пролювиальные флювиогляциальные, ледниковые, морские и эоловые типы песков. Пески различных генетических типов под влиянием гидродинамического давления могут переходить в плывунное состояние. Для так называемых «истинных плывунов» характерно высокое содержание органического вещества, которое по отношению к глинистой фракции составляет 5-35 %.

Таблица 2

Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов по ГОСТ 25100-95

Разновидности крупнообломочных и песчаных грунтов	Распределение частиц по крупности, % от массы воздушно-сухого грунта
Крупнообломочные
Валунный грунт (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый) Галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц – щебенистый) Гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц – дресвяный)	Масса частиц крупнее 200 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 10 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 2 мм – более 50 %
Пески
Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый	Масса частиц крупнее 2 мм– более 25 % Масса частиц крупнее 0,5 мм – более 50% Масса частиц крупнее 0,25 мм – более 50% Масса частиц крупнее 0,1 мм – 75 % и более Масса частиц крупнее 0,1 мм – менее 75 %

Целью лабораторной работы является знакомство с основными разновидностями дисперсных осадочных пород и методикой определения гранулометрического состава грунта.

Необходимые материалы: образцы осадочных пород (песок, гравийно-галечная порода, суглинок, глина и др.), ступка фарфоровая и пестик с резиновым наконечником, шпатель, набор сит для гранулометрического анализа с отверстиями диаметром: 20; 10; 5; 2; 1 0,5; 0,25; 0,05 мм; весы, калькуляторы.

Методика выполнения работы:

Провести лабораторное определение зернового (гранулометрического) состава образцов дисперсных пород, используя методику из ГОСТ 12536-67 (приложение 1.1) Методику определения и результаты в виде таблицы записать в тетрадь для лабораторных работ. По результатам определения содержания размерных фракций построить кумулятивную (полулогарифмическую) кривую неоднородности и вычислить по ней коэффициент неоднородности по соотношению: К_н = , где d₆₀ d₁₀ – диаметры частиц, меньше которых в данном грунте содержится (соответственно) 60 и 10% частиц по весу; определяется проведением на графике от точки на ординате, соответствующей 60 и 10 %, линии параллельно оси абсцисс до пересечения с кривой гранулометрического состава и от точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс; точки на оси абсцисс и будут искомыми диаметрами. Например, при степени неоднородности песчаного грунта К_н 3 к наименованию песков гравелистых, крупных и средней крупности добавляют наименование неоднородный песок. По результатам определения гранулометрического состава грунта определить его наименование по ГОСТ 25100-95.

В инженерно-геологической практике выделяются шесть фракций:

валунная с размерами частиц > 200 мм.

галечниковая с размерами частиц > 10-200 мм.

гравийная с размерами частиц >10-2 мм.

песчаная с размерами частиц > 2-0,05 мм.

пылевая с размерами частиц > 0,05-0,005 мм.

глинистая с размерами частиц < 0,005 мм.

Каждая фракция обладает определенными физическими свойствами. Так, частицы глинистой фракции в воде сильно набухают, плохо пропускают сквозь себя воду, дают большую усадку при уменьшении влажности, обладают связностью и пластичностью, имеют большое капиллярное поднятие воды и т.д.

Преобладание в составе грунта той или иной фракции оказывает соответствующее влияние на его свойства: пористость и водопроницаемость, пластичность, усадку и набухание, прочность и деформируемость.

При гранулометрическом анализе выделяются следующие фракции: 10; 10-5; 3-2; 2-1; 1-0,5; 0,5-0,25; 0,25-0,1; 0,1-0,05; 1-0,05; 0,05-0,01; 0,01-0,005 и < 0,005 мм.

Перед производством гранулометрического анализа, как правило производят подготовку грунта, заключающуюся в расчленении микроагрегатов на отдельные первичные частицы. При анализе песчаных грунтов их подготовка по ГОСТ 2536-79 заключается в растирании в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником.

Гранулометрический анализ песчаных грунтов производится ситовым методом т.е. пропусканием взятой для анализа навески через набор сит с отверстием разного диаметра, определением массы остатков на каждом сите и выражением их в % к общей массе навески. Для такого анализа применяется стандартный набор сит с отверстиями диаметром: 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; и 0,1 мм. При просеивании грунта через сита 0,25 и 0,1 мм одновременно пропускают воду до ее полного осветления.

Результаты гранулометрического анализа выражаются в табличной или графической форме. В таблице приводятся размеры фракций и их процентное содержание. На графике в полулогарифмическом масштабе изображается зависимость диаметра частиц от суммарного содержания (в %) фракций меньше определенного размера.

Для построения графика на оси абсцисс откладываются логарифмы диаметров частиц. Для построения шкалы для оси абсцисс обычно берется длина отрезка, соответствующая lg10. Если принять, что lg 10=1 соответствует отрезку 4 см и в начале координат поставить диаметр частицы 0,1, то через 4 см будет точка 1, еще через 4 см – 10 и т.д.

Каждый отрезок длиной 4 см делится на 9 частей пропорционально логарифмам чисел 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. То есть, если lg 10=1 и соответствует отрезку 4 см, то

lg 2=0,301 соответствует отрезку 0,301 4=0,2 см

lg 3=0,477 соответствует отрезку 0,477 4=0,9 см

lg 4=0,602 соответствует отрезку 0,602 4=2,4 см

lg 5=0,699 соответствует отрезку 0,699 4=0,8 см

lg 6=0,778 соответствует отрезку 0,778 4=3,1 см

lg7=0,845 соответствует отрезку 0,845 4=3,4 см

lg 8=0,903 соответствует отрезку 0,903 4=3,6 см

lg 9=0,954 соответствует отрезку 0,954 4=3,8 см

Ниже приводятся результаты ситового анализа несвязного грунта и испытаний на истираемость, по которым необходимо построить интегральную кривую, определить степень неоднородности, коэффициент выветрелости и дать наименование грунта в соответствии с таблицей 2. Рассчитать необходимо данные по одному из шести представленных вариантов:

Наименование показателей	Варианты
зерновой состав частиц, % по массе более 200 мм 200…100 100… 60 60 … 40 40 …20 20…10 10 … 5 5 … 2 менее 2 мм Полный остаток на сите с диаметром отверстий 2 мм после испытания на истираемость, % Степень окатанности частиц	ОК	Н	ОК	Н	Н	ОК
Примечание: ОК – окатанные, Н – неокатанные обломки

Для установления наименования грунта по зерновому составу последовательно определяют суммарное содержание частиц (%), начиная от наиболее крупных фракций, и сравнивают его с табличными значениями (табл.8) с учетом окатанности частиц. Для построения интегральной кривой зернового состава вычисляют суммарное содержание частиц (%), начиная от самых мелких фракций, и результаты сводят в таблицу.

диаметр частиц, мм	< 2	< 5	< 10	< 20	< 40	< 60	< 100	< 200
суммарное сод-е частиц, %

По этим данным строят кривую, откладывая по оси абсцисс диаметры частиц, а по оси ординат суммарное содержание частиц менее данного диаметра. С целью сокращения горизонтального размера графика, особенно при наличии в грунте частиц, отличающихся по размеру на несколько порядков, по оси абсцисс откладывают не диаметры, а их логарифмы. Эффективные диаметры d₁₀ d₆₀ находят графически, проводя горизонтальные прямые через точки на оси ординат, соответствующие 10 и 60 % суммарного содержания частиц, до пересечения с интегральной кривой, и опуская перпендикуляр из точек пересечения на ось абсцисс. По графику определяют d₁₀ и d₆₀ и вычисляют коэффициент неоднородности

К_н = (3).

Лабораторная работа № 3

Определение природной влажности грунта.

1. Влажностью называется отношение массы воды к массе минеральных частиц (скелета), взятых для одного и того же объема грунта. Влажность выражается в долях единицы.

Природная влажность определяется по ГОСТ 5180-94 путем выпаривания воды в сушильном шкафу при температуре 105 2°С.

Величина природной влажности грунтов изменяется от 0 до 3 и более единиц.

Необходимое оборудование и материалы: лабораторные весы с гирями, сушильный шкаф, эксикатор с хлористым кальцием, бюксы алюминиевые с крышкой.

Методика определения

1. Взвешиванием определяется масса пустого бюкса с крышкой m₁.

2. Грунт помещается в бюкс (около 15 г) и определяется масса бюкса с влажным грунтом – m₂.

3. Бюкс с грунтом при открытой крышке выдерживается в сушильном шкафу при температуре 105 2°С 5 часов для глинистых грунтов и 3 часа - для песчаных. Затем закрывается крышкой и помещается для охлаждения в эксикатор с хлористым кальцием на 30-40 минут.

4. Определяется масса бюкса с сухим грунтом m.

5. После досушивания в течение 2 часов глинистого грунта и 1 часа песчаного грунта повторно определяется масса с сухим охлажденным грунтом m₃^». Операция повторяется до получения постоянной массы m₃.

6. Природная влажность грунта определяется по формуле: (4)

Для каждого образца грунта природная влажность определяется не менее двух раз. При расхождении менее 10% за величину природной влажности принимается среднее арифметическое значение. Результаты определений заносятся в таблицу 3.

Таблица 3

Результаты определения влажности грунта

№№ бюксов	Масса бюкса, г	влажность грунтов
пустого m1	с влажным грунтом m2	с сухим грунтом	ω	ωср.

Лабораторная работа 4.

Определение вида и консистенции глинистых грунтов.

Глинистые грунты обладают свойствами пластичности, т.е. свойствами изменять свою форму без изменения объема и разрыва сплошности и не восстанавливать её после снятия внешнего воздействия. Это свойство наблюдается в определенном интервале влажности. Переход при увлажнении из твердого состояния в пластичное и при дальнейшем увлажнении в текучее состояние происходит при вполне определенных величинах влажности для каждого грунта.

Влажность, при повышении которой глинистый грунт переходит в пластичное состояние, называется нижним пределом пластичности или границей раскатывания W_p.

Влажность, при превышении которой глинистый грунт переходит в текущее состояние, называется верхним пределом пластичности или границей текучести – W_L.

Разность между границами текучести и раскатывания называется числом пластичности:

J_p = W_L - W_p (5)

Характерные влажности глинистых грунтов используются также для выделения их разновидности по консистенции, характеризуемой показателем текучести J_L:

J_L = (6)

Таблица 4

Типы глинистых грунтов

Наименование типа	Число пластичности
Супесь	0,01≤Јp≤0,07
Суглинок	0,07<Јp≤0,17
Глина	Јp>0,07

Таблица 5

Разновидности глинистых грунтов по консистенции

Разновидности по концентрации	Показатель текучести
Супеси твердые	JL<0
Супеси пластичные	0≤ JL≤1
Супеси текучие	JL>1
Суглинки и глины твердые	JL<0
Суглинки и глины полутвердые	0≤ JL≤0,25
Суглинки и глины тугопластичные	0,25≤ JL≤0,50
Суглинки и глины мягкопластичные	0,50< JL≤0,75
Суглинки и глины текучие	JL>1

Зная природную влажность W, влажности на границах раскатывания и текучести можно определить тип и разновидность по консистенции глинистых грунтов по таблицам 5 и 6.

Границы раскатывания и текучести определяются по ГОСТ 5183-77.

Необходимое оборудование:

Весы лабораторные с гирями; аллюминиевые стаканчики; балансирный конус; ступка фарфоровая; пестик с резиновым наконечником; чашка фарфоровая и шпатель; сито с сеткой № 1; сосуд стеклянный с крышкой; стаканчик цилиндрический диаметром не менее 40 мм и высотой не менее 20 мм с плоским дном; шкаф сушильный с термометром до 150⁰С; эксикатор с кальцием хлористым двуводным; нож, вазелин технический; пресс; ткань хлопчатобумажная; бумага фильтрованная; стеклянная или пластиковая пластинка.

Методика определения границы раскатывания:

1. Образец грунта природной влажности объемом около 100 см³ в фарфоровую чашку разминается шпателем или растирается резиновым пестиком и протирается (если влажный) или просеивается (если сухой) через сито с диаметром отверстия 1 мм. При этом удаляются растительные остатки крупнее 1 мм.

Грунт переносится в фарфоровую чашку, увлажняется дистиллированной водой (если сухой) до состояния густого теста, закрывается крышкой и выдерживается не менее 2 ч.

Избыточная влага илов удаляется обжатием грунта под прессом в хлопчатобумажной бумаги. Грунтовая паста из илов и грунтов с органическими примесями не выдерживается в закрытом стеклянном сосуде.

Добавлять сухой грунт в подготовленную грунтовую пасту не допускается.

2. Определяется масса пустого алюминиевого стаканчика – m₁.

3. Грунтовая паста тщательно перемешивается, берется небольшой ее кусочек и раскатывается на стекле или пластмассовой пластинке в жгут с легким на его нажимом. Если грунтовый жгут по достижению диаметра 3 мм сохраняет пластичность и не растрескивается, его следует собрать в комок и вновь раскатать до жгута диаметром 3 мм; эту операцию следует повторить до тех пор, пока жгут диаметром около 3 мм не начнет делиться поперечными трещинами на кусочки длиной 3-10 мм. Если из подготовленной грунтовой пасты невозможно раскатать жгут диаметром 3 мм (грунт рассыпается), то считается что данный грунт не имеет границы раскатывания.

4. Кусочки жгута помещаются во взвешенный ранее стаканчик и закрывается крышкой для предохранения его от высыхания. Когда в стаканчике соберется из кусочков грунта общей массой около 10 г. определяется масса стаканчика с влажным грунтом – m₂.

5. Грунт в стаканчике с открытой крышкой помещается в сушильный шкаф и высушивается до постоянной массы так же, как и при определении природной влажности (см. лабораторную работу № 3); определяется масса стаканчика с высушенным грунтом - m₃.

6. Влажность грунта на границе раскатывания: W_р=

7. Для каждого образца грунта выполняется не менее двух определений W_р. расхождения между ними более чем на 0,02 не допускается. За значение границы раскатывания принимается среднее арифметическое, из результатов двух определения. Данные опытов записываются в таблицу 7.

Методика определения границы текучести:

1. Подготовленное (см. п.1 предыдущей определения W_р) грунтовое тесто тщательно перемешивается и с помощью шпателя переносится в стаканчик диаметром не менее 1 см и высотой не менее 2 см, стаканчик заполняется полностью, поверхность грунтового теста выравнивается шпателем.

2. К поверхности грунта посередине стаканчика подносится балансирный конус, смазанный тонким слоем вазелина, и отпускается. Если за 5 с. конус загружается в грунтовое тесто на 10 мм (до круговой черты), то его влажность соответствует границе текучести.

3. Если на 5 с. конус погружается меньше или больше чем на 10 мм, то грунтовое тесто имеет влажность меньшую или большую чем граница текучести. В этом случае грунтовое тесто переносится в фарфоровую чашку, увлажняется или подсушивается после чего действие по п. 2 повторяется.

4. Определяется масса пустого стаканчика – m₁.

5. Определяется масса стаканчика с тестом, в которое балансирный конус погружается за 5 с на 10 м. масса теста должна быть не менее 15 г.

6. Грунт в стаканчике с открытой крышкой помещения в сушильный шкаф и высушивается до постоянной массы. Так же как и при определении природной влажности (см. лабораторную работу - № 3); определяется масса стаканчика с высушенным грунтом – m₃.

7. Влажность грунта на границе текучести. W_L=

См. п.7. определения W_p.

Таблица 6

Результаты определения границ пластичности грунта

Наименование границ	№ стаканчиков	Масса стаканчика, г	Влажность грунта
Пустого, m1	С влажным грунтом, m2	С сухим грунтом	Отдельной пробы	Среднее
m3	m3	m3
Wp
WL

Примечание: студенту предлагается определять W_p и W_L уже подготовленной пробы грунта.