Практика геология

где W, Wp – влажность грунта, соответственно, естественная и на границе раскатывания;

Ip – число пластичности

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 связные грунты по показателю консистенции делятся на следующие разновидности (таблица 57).

	Таблица 57
Разновидность глинистых грунтов по консистенции
Разновидность глинистых	Показатель текучести, IL
грунтов
Супесь:
- твёрдая	<0
- пластичная	0-1
- текучая	>1
Суглинки и глины:
- твёрдые	<0
- полутвёрдые	0-0,25
- тугопластичные	0,25-0,50
- мягкопластичные	0,50-0,75
- текучепластичные	0,75-1,00
- текучие	>1,00

Изменение консистенции связных грунтов, то есть его пластичности, сказывает на величину показателей прочностных и деформационных свойств этих грунтов.

Определение верхнего и нижнего пределов пластичности проводиться для паст, приготовленных из фракций менее 1 мм исследуемых связных грунтов, предварительно высушенных в естественных условиях с последующим увлажнением.

Наиболее распространёнными методами определения пределов пластичности грунтов являются:

1)Рекомендованные ГОСТ 5180-84 и предусматривающие определение верхнего предела пластичности конусом, а нижнего предела пластичности способом раскатывания пасты в шнур;

2)Предусматривающие определение обоих пределом пластичности с помощью конуса.

Для определения пределом пластичности по первому методу требуется:

сито с ячейкой 1 мм; фарфоровая ступка с пестиком, снабжённым резиновым наконечником; чашку для приготовления пасты; шпатель; секундомер; прибор А.М. Васильева (рис.63), оборудование для определения влажности грунта.

261

Рис.63. Балансирный конус А.М. Васильева: 1 — подставка, 2 — формочка, 3 — балансирный конус

Для определения пределов пластичности по второму методу балансирный конус А.М. Васильева заменяется на штативный прибор Союздорнии (рис.64).

Рис.64. Штативный прибор Союздорнии: 1 — вращающийся столик, 2 — режущее кольцо, 3 — конус, 4 — стопорный винт, 5 — стрелка, 6 — шкала, 7 — стойка, 8 — плита штатива.

За верхний предел пластичности, как при первом, так и при втором методе, принимается влажность пасты в которую конический наконечник погружается на глубину 10 мм за 5 секунд.

262

За нижний предел пластичности при первом методе принимается влажность кусочков шнура, который образуется при раскатывании пасты в шнур толщиной 3 мм, когда он начинает делиться по всей длине поперечными трещинами на кусочки длиной примерно 10 мм.

При применении второго метода, за нижний предел пластичности принимается влажность пасты, в которую конус прибора Союздернии погружается на 2 мм за 5 секунд.

Задание 18 Определение наименования и состояния связного грунта

В лабораторных условиях были проведены работы по определению пределов пластичности образцов связных грунтов, доставленных с места проведения инженерно-геологических изысканий. Кроме того, определена величина естественной влажности образцов и наличия в них песчаной фракции (2-0,05 мм). Результаты исследований приведены в журнале (таблица 58)

Таблица 58 Журнал результатов исследования связных грунтов

N	Значение влажности грунта, %			Содержание в грунте
вариан	на	на пределе	естественна	песчаной фракции
та	пределы	текучести	я W	(2-0,05), % по массе
образц	раскатыва	WT
а	ния WP
1	18,6	33,9	23,1	36,0
2	16,4	29,6	20,4	67,6
3	14,1	33,2	24,4	30,9
4	17,3	33,8	26,1	12,5
5	11,8	22,7	10,9	58,8
6	14,5	38,3	18,2	54,1
7	17,4	24,2	17,5	40,7
8	12,7	27,6	18,5	42,5
9	12,7	15,4	13,5	63,0
10	15,5	22,3	19,2	64,1
11	10,6	26,7	21,5	8,4
12	24,6	69,1	28,9	7,4

Необходимо по результатам исследований, используя ГОСТ 251002011 дать наименование разновидности связного грунта по числу пластичности (IP), по содержанию в нём песчаной фракции (суммарное содержание фракции от 2 до 10 мм менее 15%) и показателю консистенции

(текучести) (IL).

Рекомендуется следующий порядок выполнения задания:

1.Рассчитать число пластичности грунта (IP)

2.Рассчитать показатель консистенции (текучести) грунта (IL).

263

3.Используя приведённые выше таблицы 56, 57 из ГОСТ 251002011 и сведения о содержании в грунте песчаной фракции определить его разновидность по числу пластичности и консистенции.

4.Результаты работы представить в виде таблицы 59

Таблица 59 Результаты определения разновидности связного грунта

N вари-	Число	Показатель	Содержание		Наименова-
анта	пластичност	консистенци	песчаной		ние
(образца)	и, IP	и, IL	фракции		разновиднос-
			(2-0,05 мм)		ти грунта
			по	факт
			ГОСТ	ич.

III.3.6. Определение прочностных характеристик грунтов сдвиговыми испытаниями.

Прочностью грунта называют его способность (свойство) сопротивляться разрушению от механического (силового) воздействия при нагрузках, равных или превышающих критические для данного грунта.

Наиболее полно прочностные свойства дисперсных грунтов проявляются при сопротивлении их разрушению при действии сдвигающих усилий, приводящих к смещению в горизонтальном направлении (сдвигу) одной части грунта относительно другой.

Сопротивлением сдвигу называется касательное напряжение при разрушении грунта по площадке сдвига (скольжения), проходящей через данную точку.

В лабораторных условиях определение параметров прочности дисперсных и мерзлых грунтов выполняется обычно с использованием приборов прямого (одноплоскостного) среза, реже испытания проводятся в приборах трехосного сжатия. Испытания грунтов на сдвиг проводятся по разным схемам (консолидированного и неконсолидируемого сдвига).

Зависимость между сдвигающими ( ) и нормальными ( ) по отношению к площадке сдвига напряжениями в общем виде для случая предельного равновесия выражается следующим образом:

= tg +C.

В этом выражении и С являются параметрами сопротивления сдвигу и называются : – углом внутреннего трения, град.; С – удельным сцеплением, Па.

264

а)

б)

При

испытаниях

грунтов и С являются

3

математическими

параметрами

в

уравнении

2

графика испытания грунтов

1

на

сдвиг

(рис.65).

Испытания

грунтов

на

сдвиг

проводятся,

как

1

2

3

правило,

при

трех

в)

г)

уплотняющих

давлениях

( 1,

2, 3), для каждого из

них

по

перемещению

фиксируются

предельные

сопротивления

сдвигу

( 1,

с

с

2, 3) – рис.65а. По этим

данным

строится

график

д)

n

е)

=f( ).

На

рис.65б

представлен

график

для

max

2

идеально сыпучих грунтов;

1

на рис.65в – для идеально

n кр.

дл

связных

грунтов

2

1

(обладающих

только

вязким

сцеплением);

на

рис.65г

–

для

реальных

грунтов,

в

которых

Рис. 65. Графики сопротивления грунтов сдвигу

фиксируется

и

удельное

сцепление (С) и угол внутреннего трения ( ).

Рис. 2д показывает, что в процессе сдвига рыхлые грунты (1) уплотняются, а плотные (2) разуплотняются, что отражается на соответствующем изменении величины сопротивления их сдвигу (рис.65е). Пористость, при которой сдвиг происходит без изменения объема грунта часто называют критической (пкр), а отвечающее ей сопротивление сдвигу – длительной прочностью ( дл).

III.3.7. Определение деформационных характеристик грунтов компрессионными испытаниями.

Сжимаемостью грунтов называется их способность (свойство) уменьшаться в объеме под влиянием внешних воздействий, приобретая более плотное сложение за счет уменьшения их исходной пористости.

Компрессионными испытаниями называются исследования уплотнения (компрессионной сжимаемости или компрессии) грунтов под нагрузкой в условиях одномерной задачи, т.е. при возможности развития деформации в одном направлении (вертикальном) без возможности бокового расширения. Приборы для подобных испытаний образцов носят название

265

«компрессионных» или «одометров», а результирующие данные исследований в виде графиков называются компрессионными кривыми

(рис. 66).

По мере увеличения давления (Р) происходит уплотнение грунта и его коэффициент пористости (е) уменьшается. Для образцов ненарушенной структуры с выраженными структурными связями (том числе «сцеплением упрочнения» по терминологии Н.Я. Денисова) уменьшение коэффициента пористости начинается только после давления, превышающего структурную прочность грунта (рис.66б). В этой же связи следует отметить, что частичное «восстановление» пористости грунта после разгрузки, отражающее упругие свойства грунта, в образцах с ненарушенной структурой заметно больше, чем в образцах нарушенной структуры (см. рис.66а и б). Это характерно и для глинистых и для песчаных грунтов.

а)

e

1

2

e2

P

	б)
e
	1
e2	2
Pстр	P

		в)
e
1
e2	А
e1
		2
ei
e2			Б
P1	Pi	P2	P

Рис. 66. Компрессионные кривые в координатах «давление – коэффициент пористости»; 1 – кривая уплотнения, 2 – кривая разуплотнения; Рстр. – структурная прочность грунта; е2 –

частичное «восстановление» коэффициента пористости после разгрузки; а) – испытание образца грунта нарушенной структуры; б) – то же, ненарушенной; в) – расчетная схема для участка А–Б компрессионной кривой.

Компрессионная кривая имеет криволинейный характер, однако в диапазоне небольшого изменения давлений (от 0,1 до 0,3 МПа) ее можно принять за прямую (отрезок А-Б на рис.66). Тангенс угла наклона этой прямой ( ) характеризует сжимаемость изучаемого грунта в рассматриваемом диапазоне давлений (от Р1 до Р2) и называется коэффициентом сжимаемости, который обозначается «а» и, в соответствии

с рис.66в, вычисляется по формуле: а е1 е2 .

Р1 Р2

Уравнение прямолинейного отрезка компрессионной кривой записывается в виде

еi ео арi ,

После дифференцирования этого уравнения получаем зависимость, справедливую для любой точки криволинейной компрессионной кривой: de adp.

Эта зависимость выражает закон уплотнения грунта: бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально

266

бесконечно малому изменению давления.

Основными характеристиками сжимаемости грунтов является модуль общей деформации, коэффициент бокового давления и коэффициент поперечного расширения.

Модуль общей деформации является коэффициентом пропорциональности между напряжениями и относительными деформациями, при этом он учитывает и остаточные, и упругие деформации грунтов. По компрессионным испытаниям он вычисляется по следующей

формуле:	Eo		1 eo	, где	– коэффициент, учитывающий невозможность
			a

бокового расширения грунта (для песков и супесей =0,76; суглинков – 0,63; глин – 0,42). При вычислении коэффициента сжимаемости «a» за P1 принимают либо природное давление на глубине отбора образца, или P1=0,1 МПа; за P2 – давление, действующее под подошвой фундамента.

Коэффициент бокового давления представляет отношение приращения горизонтального давления грунта к приращению вертикального давления, обозначается и изменяется в следующих пределах: для песков от 0,25 до 0,37, для глинистых грунтов в зависимости от консистенции от 0,11 до 0,82.

Коэффициент поперечного расширения грунта (коэффициент Пуассона)

– представляет собой отношение относительных горизонтальных деформаций образца к относительным вертикальным деформациям. Он обозначается и равен для песков 0,21-0,29; супесей и суглинков 0,30-0,37;

глин – 0,40.

III.3.8. Определение прочностных и деформационных характеристик грунтов методом трехосного сжатия

Комплексные исследования механических свойств грунтов осуществляются методом трехосного сжатия. Испытание грунта методом трехосного сжатия проводят для определения следующих прочностных и деформационных характеристик: угла внутреннего трения ( ), удельного сцепления (С), сопротивления недренированному сдвигу (Си), модуля деформации (Е), модуля сдвига (G) и коэффициента поперечной деформации ( ) и многих других параметров для песков, глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

Указанные характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия. В России приборы трехосного сжатия принято называть стабилометрами.

Конструкция камеры трехосного сжатия обеспечивает возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при 1 ≥ 2 = 3, где 1 – максимальное главное напряжение; 2 , 3 – минимальные, они же промежуточные главные напряжения.

Общий вид стабилометра, конструкция рабочей камеры и схема нагружения образца грунта приведены на рис.67.

267

а)

б)

Рис. 67. Стабилометр конструкции ООО «НПП «Геотек», а – конструкция рабочей камеры и схема нагружения образца грунта; б – общий вид прибора

Испытания грунтов методом трехосного сжатия проводят по следующим схемам:

-неконсолидированно-недренированное испытание – для определения сопротивления недренированному сдвигу водонасыщенных глинистых, органо-минеральных и органических грунтов природной плотности;

-консолидированно-недренированное испытание – для определения хараткристик прочности глинистых, органо-минеральных и органических грунтов в нестабилизированном состоянии;

-консолидированно-дренированное испытание – для определения характеристик прочности и деформируемости любых дисперсных грунтов в стабилизированном состоянии.

Для трехосных испытаний используют образцы грунта нарушенного сложения с природной влажностью, или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Испытания для определения характеристик прочности проводят не менее чем для трех образцов исследуемого грунта при различных значениях всестороннего давления на образец.

268

III. 3.9. Определение коэффициента фильтрации лабораторными методами.

Для определения коэффициентов фильтрации и проницаемости горных пород применяют как полевые, так и лабораторные методы. Причем, в лабораторных условиях коэффициент фильтрации определяют, главным образом, только для дисперсных (песчаных и глинистых) грунтов.

Коэффициент фильтрации в лабораторных условиях определяется с помощью специальных приборов на образцах естественного и нарушенного сложения и косвенным путем по гранулометрическому составу и пористости пород или по времени, необходимому для уплотнения породы заданной нагрузкой. В зависимости от применяемых приборов лабораторные определения могут быть разделены на две группы. Первую группу представляют приборы, которые при определении коэффициента фильтрации позволяют учитывать влияние нагрузки, - компрессионно-фильтрационные приборы (Н.Н. Маслова и др.). Вторую группу составляют приборы, определение коэффициента фильтрации в которых производится без учета влияния нагрузки (приборы Г.Н. Каменского, Г. Тиме и др.).

Все лабораторные методы определения коэффициента фильтрации являются менее точными по сравнению с полевыми, так как они основаны на исследовании отдельных образцов, взятых из толщи пород. При полевых же методах (откачках, нагнетаниях) исследуют не отдельные образцы, а целые комплексы отложений, находящихся в условиях естественного залегания.

Некоторые лабораторные методы в настоящее время пока нельзя заменить ни одним из полевых методов, например, определение коэффициента фильтрации на приборах, позволяющих учитывать влияние нагрузки, что представляет особый интерес при оценке строительных качеств пород. Наконец, многие лабораторные методы не требуют сложного оборудования, нетрудоемки, отличаются простотой и низкой стоимостью. Поэтому они позволяют производить массовые исследования.

Наиболее точные результаты дают приборы, позволяющие определять коэффициент фильтрации путем расчета по гранулометрическому составу и пористости пород. Этот метод применим, главным образом, для песчаных пород. Для глинистых пород он рекомендован быть не может, так как их фильтрационные свойства зависят не только от гранулометрического состава, но и от их сложения.

Описание одного из лабораторных методов определения коэффициента фильтрации пород приводится ниже.

Задание 19. Определение коэффициента фильтрации в приборе КФ-00М

Цель и результаты работы Цель работы – знакомство студентов с лабораторным методом

определения коэффициента фильтрации дисперсных грунтов на образцах нарушенного и ненарушенного сложения.

В качестве отчетных материалов студентами предоставляются:

269

1.Схема прибора КФ-00М. Описание сущности и области применения лабораторного метода.

2.Журнал испытаний грунтов.

Конструкция прибора Прибор (рис.68) предназначен для определения коэффициента

фильтрации песчаных грунтов нарушенного и ненарушенного сложения при постоянных гидравлических градиентах от 0,1 до 1. Прибор состоит из фильтрационной трубки и специального винтового телескопического приспособления, позволяющего насыщать грунт и регулировать напор воды, и корпуса 10 с крышкой 9. Фильтрационная трубка состоит из основного металлического цилиндра 7 (внутренним диаметром 56,5 и высотой 100 мм) с заостренным краем, поддона 1, который надевается на нижнюю часть цилиндра, и латунной сетки 2, вставляемой в поддон. На верхней части цилиндра устанавливается муфта 5 с латунной сеткой 6 и мерным стеклянным баллоном 4 (мариоттовым сосудом), на одной стороне которого нанесена шкала. Телескопическое приспособление состоит из подставки 11, винта 8 и планки 3. На планке нанесены деления напорного градиента от 0 до 1 с ценой деления 0,02.

Рис.68. Прибор КФ-00М для определения коэффициента фильтрации песков.

270