С.М. Простов Определение физических свойств грунтов

1

1. Цель работы – изучение ускоренных методов исследований физических свойств однородных связных и несвязных грунтов с помощью полевой лаборатории ПЛЛ-9, приборов КФ-ООМ СПЕЦГЕО и УВТ-3.

2. Теоретические положения

Состав песчаных, гравелистых, щебенистых, галечниковых и особенно глинистых пород в значительной степени определяет их физикомеханические свойства и является главным классификационным показателем, позволяющим одновременно судить о свойствах и условиях образования рыхлых несвязных и мягких связных пород.

Гранулометрический состав характеризует осадочные породы в отношении их дисперсности, т.е. размеров слагающих частиц. Он выражает процентное содержание в породе групп частиц (фракций) различных размеров, взятых по отношению к массе абсолютно сухой породы. Размер фракций, слагающих ту или иную породу, выражают обычно в миллиметрах. Результаты гранулометрических анализов обычно приводят в виде таблиц, в которых показывают процентное содержание в породе различных фракций. Для наглядного представления о составе и степени однородности породы строят различные графики.

Мерой неоднородности гранулометрического состава песчаных и глинистых пород служит коэффициент неоднородности

где d60 – контролирующий диаметр частиц; d10 – действующий, или эффективный, диаметр частиц.

Под действующим, или эффективным, обычно понимают такой диаметр частиц, меньше которого в породе имеют 10 % от всех частиц. Контролирующим диаметром частиц называют такой, меньше которого в данной породе обладают 60 % частиц.

Чем больше КН, тем неоднороднее грунт. Если КН < 3, грунт считается однородным.

Для наглядности представления о составе и степени однородности породы строят различные диаграммы и графики (рис. 1-4).

Наиболее важными физическими свойствами песчаных и глинистых пород являются плотность, пористость и влажность.

2

d, мм

Рис. 1. Диаграмма гранулометрического состава однородной глинистой породы

d, мм

Рис. 2. Диаграмма гранулометрического состава неоднородной глинистой породы

3

d, мм

Рис. 3. Интегральные кривые гранулометрического состава глинистых пород

Рис. 4. Треугольная диаграмма для изображения гранулометрического состава глинистых пород

Плотность минеральной части горных пород ρS характеризует-

ся массой единицы объема минеральной части породы (в г/см3 или т/м3). Она определяется минеральным составом пород и выражает сред-

4

нюю плотность слагающих ее минералов. Плотность наиболее распространенных породообразующих минералов песчаных и глинистых пород изменяется в сравнительно небольших интервалах, вследствие чего и плотность минеральной части большинства этих пород изменяется мало. У легких, сильнопесчаных разностей глинистых пород, супесей и песков среднее значение плотности минеральной части равно 2,65 г/см3, у среднепесчаных (суглинки) – 2,70 г/см3, у тяжелых разностей глин –

2,75 г/см3.

Плотность породы ρ – это масса единицы ее объема при естественной влажности и сложении. Она определяется плотностью минеральной части, пористостью и влажностью породы. Обычно чем выше плотность минеральной части, тем выше и плотность породы, чем больше пористость, т.е. чем более рыхлую упаковку имеют частицы в единице объема породы, тем меньше ее плотность. При увеличении влажности при данной пористости порода становится тяжелее, плотность ее повышается. Численно она равна отношению массы породы к ее объему.

От плотности породы отличают плотность скелета ρd, под которой понимают массу единицы объема ее минеральной части естественного сложения, т.е. это масса единицы объема сухой породы естественного сложения. По плотности скелета грунты подразделяют согласно табл. 1.

Таблица 1

Влажность породы W характеризуется количеством воды, заполняющей ее поры. В зависимости от степени влажности песчаные и глинистые породы могут находиться в различном физическом состоянии, в соответствии с которым (особенно у глинистых пород) изменяются их прочность, деформируемость и устойчивость. Численно влажность пород выражают отношением массы воды, заполняющей поры, к массе сухой породы в долях единицы или в процентах от массы сухой породы.

5

Указанные выше свойства взаимосвязаны и в целом выражают физическое состояние грунтов как в условиях естественного залегания, так и в земляных сооружениях (плотинах, дамбах, насыпях и др.). По основным физическим свойствам можно косвенно судить о прочности, деформируемости и устойчивости песчаных и глинистых пород, а также об их изменении под влиянием геологических процессов или искусственных факторов.

Очень важной дополнительной характеристикой физического состояния глинистых пород служит их консистенция IL, определяющая физическое состояние при определенной влажности. Термин "консистенция" употребляется главным образом для глинистых пород, которые при определенной влажности под воздействием внешних усилий приобретают определенную подвижность (деформируемость) и могут занимать промежуточное положение между жидкоили вязкотекучими и твердыми телами. Обычно величина IL характеризуется определенными влажностями, которые принято называть пределами консистенции.

Наиболее важными для определения физического состояния гли-

нистой породы являются предел текучести WL и предел пластичности

WР. Консистенцию грунтов определяют по формуле

где IР – число пластичности; W – естественная влажность.

Предел текучести WL соответствует такой влажности, при незначительном превышении которой глинистая порода нарушенного сложения из полутвердого состояния переходит в пластичное. При значениях W, соответствующих пределам текучести и пластичности, происходит резкое изменение внутреннего сопротивления глинистых пород приложенным нагрузкам. Между пределами текучести WL и пластичности WР глинистые породы находятся в пластичном состоянии, когда под действием внешней силы они могут принимать различную форму и сохранять ее после устранения этой силы.

Разделение глинистых грунтов по величине консистенции приведено в табл. 2.

Интервал влажности, в пределах которого глинистая порода находится в пластичном состоянии, называется числом пластичности IР. Число пластичности определяют по разности между влажностями, соответствующими пределу текучести и пределу пластичности:

Величина IР в значительной мере характеризует степень глинистости породы, поэтому ее используют для классификации глинистых отложений (табл. 3).

Таблица 3

К числу основных водно-физических свойств горных пород относится водопроницаемость, т.е. способность пропускать через себя воду под действием напора. Водопроницаемость песков, галечников и других рыхлых обломочных пород зависит от их пористости и скважности. Глинистые породы при небольших напорах очень слабоводопроницаемы или практически водонепроницаемы, так как размер пор в них мал. Движение воды, а также других жидкостей и газов через пористые горные породы называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность.

Мерой водопроницаемости горных пород служит коэффициент фильтрации КФ, для его определения применяют прибор КФ-ООМ СПЕЦГЕО. Разделение грунтов по степени водопроницаемости приведено в табл. 4.

Под углом естественного откоса понимают предельный угол наклона откоса, при котором порода в откосе находится в устойчивом состоянии – не осыпается, не оплывает и т.д. Настоящими методическими указаниями рекомендуется определять угол естественного откоса при помощи прибора УВТ-3.

3. Содержание работы

3.1.Изучение устройства комплекта приборов для лабораторных исследований физических свойств грунтов, методики подготовки образцов грунта и их испытания (2 часа).

3.2.Проведение испытаний для определения комплекса физических свойств песчаных и глинистых грунтов (10 часов).

3.3. Обработка, оформление и анализ результатов испытаний

(2 часа).

3.4. Ознакомление с результатами инженерно-геологических исследований грунтов на реальном объекте строительной геотехнологии

(2 часа).

Общая продолжительность выполнения лабораторных работ

16часов.

4.Описание комплекта приборов для проведения инженерно-геологических изысканий в полевых условиях

Всостав полевой лаборатории ПЛЛ-9 (полевая лаборатория Литвинова) входят следующие приборы и принадлежности: прибор для определения угла естественного откоса песчаных грунтов, комплект сеток для определения гранулометрического состава песчаных грунтов, прибор для определения пластичности глинистых грунтов, два нажимных

8

стакана для отбора грунта, толкатель, весы с разновесами, два подвеса, коробка с банками для определения пластичности, две коробки с компрессионными гильзами, воронка, четыре гильзы для определения физических показателей, компрессионный прибор.

Кроме приборов, находящихся в футляре, в состав полевой лаборатории ПЛЛ-9 входит сушильный шкаф.

Комплект сит (рис. 5) предназначен для гранулометрического анализа песчаных грунтов.

Рис. 5. Комплект сит для определения гранулометрического состава грунтов

В комплекте имеются сетки с размерами отверстий в свету: 0,1; 0,25; 0,5 и 2 мм. Размеры отверстий указаны на ободках сеток.

Прибор для определения пластичности глинистых грунтов (рис. 6) представляет собой балансирный конус 1 (угол при вершине 30°) с двумя противовесами 2, жестко закрепленными на нем так, что центр тяжести устройства в рабочем положении опущен ниже вершины конуса для устойчивости при измерениях. Конус имеет кольцевую риску в 10 мм от вершины и комплектуется чашкой для грунтовой пасты и подставкой. Общий вес балансирного конуса 76 г при допускаемом отклонении ± 2 г.

Толкатель предназначен для: перемещения отобранных проб грунта из грунтоотборных гильз в алюминиевые банки; уплотнения песчаных грунтов при определении коэффициента пористости в предельно плотном состоянии; использования в качестве пестика при растирании глинистых грунтов; в последнем случае на грибообразную рукоятку толкателя надевают резиновый колпачок, предохраняющий слабые

9

фракции грунта от раздробления в процессе их растирания. 1

2

Рис. 6. Прибор для определения пластичности глинистых грунтов

Основные алюминиевые банки предназначены для хранения отобранных образцов грунта. В этих банках определяют также природную влажность грунта.

Компрессионные гильзы, закрытые с двух сторон крышками, служат для упаковки и хранения отобранных монолитов грунта.

Компрессионный прибор (рис. 7) состоит из грунтоотборной гильзы 1, струбцины 2, штатива с воронкой 3 и рычажной системы 4. Основание прибора служит для опирания на него гильзы с образцом грунта. В выемку поверхности основания помещают сетку, снабженную отверстиями для пропуска воды. Под сеткой имеется свободное пространство. Две боковые трубки с ниппелями служат: одна для наполнения нижней части прибора водой 5, другая для вытеснения воздуха 6. Компрессионная гильза является обоймой для образца грунта при его испытании. Верхняя часть прибора 7 служит для установки поршня и вертикального его перемещения при испытании грунта. Специальный винт 8 позволяет закрепить шток поршня для предотвращения набухания образца грунта при насыщении его водой.

Воронка предназначена для подачи к исследуемому образцу грунта воды под разными напорными градиентами. Раздвижная трубка воронки обеспечивает установку ее на нужной высоте. Стеклянная трубка, вставляемая между двумя отрезками резиновой трубки, служит для отсчета объема воды, фильтрующейся через грунт. Для приложения нагрузки в приборе используют струбцину и рычажную систему 4 компрессионного прибора.

Для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов с