С.М. Простов Определение деформационных свойств грунтов

Министерство образования Российской Федерации

Государственное учреждение Кузбасский государственный технический университет

Кафедра теоретической и геотехнической механики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Методы и средства геоконтроля” для студентов специальности 070600

“Физические процессы горного производства”

Составители С.М. Простов М.В. Гуцал Е.В. Костюков

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 6

от 30.12.02

Рекомендованы к печати учебнометодической комиссией специальности 070600

Протокол № 5

от 30.12.02

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

1

1.Цель работы – определение деформационных параметров грунтов путем компрессионных испытаний с помощью настольного прибора КПр1.

2.Теоретические положения

Деформационные свойства горных пород и грунтов определяются их способностью деформироваться под воздействием внешней нагрузки.

В данной работе объектом изучения являются грунты. Грунтами называют сложные минерально-дисперсные образования, состоящие из твердых, практически не связанных или частично связанных между собой частиц минералов различной формы и размеров, свободное пространство между которыми заполнено жидкостью или газами. Грунты составляют основную долю оснований зданий и наземных сооружений, насыпей и выемок автомобильных дорог, в составе пород-наносов они подлежат разработке как открытым, так и подземным способами. В частности, при строительстве современных шахт весьма серьезную проблему представляет сооружение устьев вертикальных стволов и проходка наклонных стволов в неустойчивых обводненных глинистых грунтах-плывунах.

Различают грунты естественные и искусственные. Естественные грунты разделяют на несвязные рыхлые (гравий, галечники, щебни, дресва) и мягкие связные (глины, суглинки, супеси, лессовые породы). К искусственным грунтам относят отходы обогатительных фабрик, золы, шлаки.

Деформационные характеристики грунтов определяют при проектировании промышленных и жилых зданий, автомобильных и железных дорог, возведении насыпей, гидротехнических сооружений (плотин, дамб). Ошибки в лабораторных испытаниях грунтов могут привести к нарушению устойчивости данных объектов и значительному экономическому ущербу.

Деформации сжатия грунтов исследуют с помощью полевых и лабораторных компрессионных установок при ступенчатом изменении нагрузки, основным элементом которых является одометр – жесткий цилиндр, обеспечивающий сжатие грунта при отсутствии поперечного расширения. При этом диаметр грунтового образца должен не менее, чем вдвое превышать его толщину, D ≥ 2h0 .

				2
	Основным результатом компрессионных испытаний грунтов явля-
	ется зависимость между деформацией образца ε и напряжением σ . Эту
	зависимость, представленную в графической форме, называют ком-
	прессионной кривой, общий вид которой показан на рис.1. График ε(σ)
	содержит две ветви – уплотнения 1 и разуплотнения 2.
	0	σmin	σmax		σ	По			заданным
					значениям		σmax		и	σmin
	εmin				(они	соответствуют				весу
					возводимого			сооружения)
			1		можно			определить
	εmax				деформацию εmax - εmin и
			2		ожидаемую				просадку
	ε				грунта.
						Основными количест-
	Рис. 1. Компрессионная кривая				венными			деформацион-
					ными параметрами грунтов
					являются следующие.
	Коэффициент сжимаемости (в МПа-1)
			a =	∆m ,
				∆σ
	где ∆m - изменение пористости образца при приращении давления∆σ .
	Модуль осадки (в мм/м) – величина сжатия слоя породы толщиной
	1м при приложении нагрузки σmax
			η = εmax 103 .
	Модуль общей деформации (в МПа)
			E =	∆σ	β ,
				∆m
	где β - эмпирический множитель для перехода от условий компресси-
	онных испытаний грунта к реальным деформациям грунтов в массиве с
	учетом бокового расширения (для песка β =0,76, для супесей – 0,72, для
	пульпы –0,65, для суглинков – 0,57, для глин – 0,43), связанный с коэф-
	фициентом поперечного расширения грунта µ следующим уравнением

β= 1 − 2µ2 .

1− µ

Взависимости от величины коэффициента сжимаемости грунты

относят к следующим категориям [1]: а > 10−1 - сильносжимаемые;

3

10−2 −10−1 - повышенной сжимаемости; 5 10−3 −10−2 - средней сжи-

маемости; 10−3 −5 10−3 - слабосжимаемые; < 10−3 - практически несжимаемые.

3. Содержание работы

3.1.Изучение устройства компрессионного настольного прибора КПр1, методики подготовки образцов грунтов и их компрессионных испытаний (1,5 часа).

3.2.Проведение компрессионных испытаний грунтов различного типа (пески, глины, суглинки, супеси, шлам, шлаки) (1 час).

3.3. Обработка, оформление и анализ результатов испытаний

(1 час).

3.4. Ознакомление с результатами реальных инженерногеологических исследований грунтов (0,5 часа).

Общая продолжительность выполнения работы - 4 часа.

4. Описание устройства компрессионного прибора КПр1

Прибор КПр1 состоит из двух основных узлов: одометра и устройства нагружения.

4.1. Одометр является основным функциональным узлом установки, в котором осуществляется объемное сжатие грунтового образца. Конструкция одометра включает следующие основные элементы (рис.2). Корпус одометра состоит из нижней 1, верхней 5 частей и перфорированного дна 2. Все указанные детали соединяются между собой на резьбе. На перфорированное дно корпуса помещается зажимное кольцо 3 с заключенным в него объемом исследуемого грунта 12, которое фиксируется стяжным кольцом 4. На перфорированном дне 2 имеются кольцевые и радиальные проточки, служащие для подвода воды к нижней кромке грунтовой пробы. Вода подводится резиновой трубочкой через штуцеры, ввернутые в нижнюю часть корпуса 1, а отводится через пробку (штуцеры и пробка на рис.2 не показаны). На грунтовую пробу 12 накладывается штамп 7, который сверху прижимается арретиром 6. К штампу 7 с помощью стойки 8, консоли 9 и стопорного винта 10 присоединяется корпус индикатора 11, толкатель которого упирается в опорную площадку корпуса.

4

5

4.2. Одометр устанавливается на столе 2 устройства нагружения (рис.3), причем корпус одометра фиксируется штифтом, расположенным на столе 2. Траверсы стола 3 имеют опорные винты 1, служащие для установки горизонтального положения стола. Нагружение образца грунта осуществляется грузами, вес которых с помощью троса 4 передается на сектор 5, а от него с помощью тягового троса 7 и натяжного винта 8 – на раму, состоящую из нижнего коромысла 13 и упора 14.

В нерабочем положении сектор 5 фиксируется стопорным пальцем 6, в рабочем он может быть уравновешен противовесом 16, перемещаемом по резьбе на рычаге 15. Давление грузов на штамп одометра передается упором 14, устанавливаемом на шарик 12, помещенный в отверстие штампа.

Минимальное давление на образец грунта от веса штампа, рамки и силы упругости пружин индикаторов составляет σ =0,0054 МПа. Для создания давления 0,025 МПа следует установить на подвеску троса 4 груз массой 1,26 кг, для увеличения давления до 0,05 МПа следует добавить груз массой 1,5 кг.

5. Методика испытания образцов грунтов

5.1.Проверить готовность установки к работе (рис.3): проверить уровнем горизонтальность стола 2, при необходимости отрегулировать положение опорных винтов 1; проверить надежность заправки тросов 4

и7, отсутствие перекручивания и изгибов; уравновесить сектор 5 перемещением противовеса 16 по резьбе рычага 15.

5.2.Зажимное кольцо 3 (рис.2) вдавить в грунт, не допуская перекоса кольца и разрушения грунта. Когда поверхность грунта достигнет верхнего края кольца, на него надо поставить второе аналогичное кольцо и продолжить вдавливание до заполнения последнего на 5-8 мм. Снять верхнее кольцо, срезать ножом грунт по верхнему краю кольца. Зачистить основание образца трехгранной металлической линейкой.

5.3.Закрыть пробу грунта, врезанную в кольцо 3, тонкой фильтровальной бумагой с обоих торцов, поставить зажимное кольцо 3 на перфорированное дно 2, ввернуть верхнюю часть корпуса 5 в нижнюю 1, ввернуть стяжное кольцо 4 таким образом, чтобы оно прижало зажимное кольцо 3 ко дну 2. Вставить штамп 7 и завернуть арретир 6.

6

7

Собранный одометр установить на стол установки так, чтобы штифт на столе вошел в отверстие на нижней части его корпуса 1. Установить консоли 9 и индикаторы 11, используя стопорные винты 10. Установить стрелки индикаторов 10 на отметку 0,00 мм (рис. 2).

5.4. Установить шарик 12 (рис.3) в углубление штампа одометра, а упор 14 вместе с рамой, передающей нагрузку, на шарик. Навернуть маховичок 10 на резьбу нижнего коромысла 9. Вынуть стопорный палец 6 и, вращая маховичок 10, натянуть тяговый трос 7 таким образом, чтобы средний луч сектора 5 занял горизонтальное положение или получил наклон выше горизонта не более чем на 10-15°.

5.5. Подсоединить резиновую трубку к штуцеру одометра, заполнить ее водой из воронки, осторожно вывернуть пробку одометра, дождаться появления из отверстия воды, завернуть пробку. Если при замачивании образца показания индикаторов 11 изменятся, дополнительно довернуть арретир 6 (рис. 2).

5.6. Устанавливают начальное давление на образец σ0 = 0,025 МПа, укладывая на подвеску груз, массой 1,26 кг. Для уве-

личения давления на величину ∆σ = 0,025 МПа необходимо уложить дополнительно груз массой 1,5 кг. После того, как завершится деформация образца, снимают показания индикаторов и определяют их среднее значение (абсолютную деформацию ∆h). Значения σ и ∆h на каждой ступени нагружения заносят в таблицу.

5.7. По окончании испытаний вывернуть пробку одометра, удалить воду, после чего вывернуть арретир 6 и снять с подвеса все грузы. После завершения деформаций восстановления образца (прекращения изменений показаний индикаторов 11 или уменьшения скорости их изменения до 0,03 мм в минуту) снять индикаторы 11, вынуть штамп 7, вывернуть стяжное кольцо 4, верхнюю часть корпуса 5, вынуть зажимное кольцо 3, удалить грунт 12 (рис. 2).

Очистить от грунта, промыть и высушить фильтровальной бумагой все детали одометра.

6. Порядок работы

Для выполнения работы в учебной подгруппе формируется два звена по 4-6 чел. Каждое звено выполняет работу самостоятельно в соответствии с п.3 на отдельной установке. Каждый студент звена представляет индивидуальный отчет (п.9). Преподаватель (лаборант) выдает образцы грунтов для испытаний, техническую документацию, контро-

8

лирует правильность выполнения работы, указывает максимальную нагрузку на образец.

7. Правила техники безопасности

7.1. При укладке грузов на подвеску необходимо следить, чтобы выступ нижнего груза входил в выточку верхнего.

7.2. Запрещается устанавливать грузы пазами в одном направле-

нии.

7.3. После проведения испытаний все грузы следует уложить на специальную вертикальную рейку стола.

8. Обработка результатов

8.1. Результаты испытаний и их обработки заносят в таблицу.

Результаты компрессионных испытаний

Номер

Масса

Давле-

Показания

Абсо-

Относ

Коэф-

Мо-

Мо-

замера

груза

ние

индикаторов,

лют-

итель-

фици-

дуль

дуль

i

на

σi ,

мм

ная де-

ная де-

ент

осадки

общей

подве-

МПа

фор-

фор-

сжи-

ηi ,

дефор-

се

мация

мация

мае-

мм/м

мации

M i ,

∆h1i

∆h2i

мости

∆h ,

a

i

, мм

E

,

кг

i

εi

i

мм

МПа

1

2

…

Расчет параметров таблицы ведут по следующим формулам:

M i = M Ni ,

где M - масса одного груза, M =1,5 кг (первым устанавливают груз с массой 1,26 кг, уменьшенной с учетом масс штампа одометра и рамки устройства нагружения), Ni - количество устанавливаемых грузов;

σi = 0,305 M i ;

∆hi = 21 (∆h1i + ∆h2i );

εi = ∆hhi , 0

9

где h0 - начальная высота образца, h0 =25 мм;

a

=

mi−1 −mi

=

εi −εi−1

(1 + m )≈

εi −εi−1

,

i

σi −σi−1

σi −σi−1

0

σi −σi−1

где m0 - начальная пористость образца (ею

пренебрегают, так как

m0 <<1), mi−1,

mi - пористость образца в предыдущем и текущем заме-

рах;

103 ;

ηi = εi

Ei =

β

,

ai

где β - эмпирический множитель, принимаемый в зависимости от типа грунта в диапазоне β =0,76-0,43 (см. п.2).

8.2. Из таблицы определяют максимальное значение коэффициента сжимаемости amax = max{ai }, по которому испытанный грунт отно-

сят к одной из категорий сжимаемости (см. п.2).

8.3. По данным таблицы строят в масштабе ветвь уплотнения компрессионной кривой (1 на рис.1).

9. Требования к отчету

Отчет оформляют на отдельном листе (на обеих сторонах) формата А4 с рамкой и малым штампом.

Отчет должен содержать:

-цель работы;

-обработанные результаты испытаний двух образцов различного типа (пп. 8.1-8.3);

-краткий письменный ответ на один из контрольных вопросов по заданию преподавателя.

Контрольные вопросы

1.Какие свойства горных пород называют механическими?

2.Перечислите механические параметры горных пород.

3.Какие горные породы относят к грунтам?

4.Виды грунтов.

5.Цель определения деформационных параметров грунтов.

6.Сущность компрессионных испытаний грунтов.

7.Общий вид компрессионной кривой.

8.Деформационные параметры грунтов.