Геология / Новая папка (3) / __9__ .......МУ ГРУНТОВЕДЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра строительного производства, оснований и фундаментов

Игашева С.П., Гейдт Л.В.

ГРУНТОВЕДЕНИЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам и практическим занятиям

для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения

Тюмень, 2011

УДК

ББК

Игашева С.П., Гейдт Л.В.: Методические указания к лабораторным работам и практическим занятиям дисциплины «Грунтоведение» для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения - перераб. и доп.; Тюмень: РИЦ ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2011. – 60 с.

Методические указания разработаны на основании рабочих программ ГОУ ВПО ТюмГАСУ для студентов строительных специальностей. Содержит теоретический материал по теме «Свойства грунтов», методические указания к лабораторным работам по определению свойств грунтов и к практическим работам.

Рецензент: Ю.В.Кравцов, ведущий научный сотрудник

ООО «Тюменгипрогаз», к.г.-м. н.

Тираж 100 экз.

ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» Игашева С.П., Гейдт Л.В.

Редакционно-издательский центр ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурностроительный университет»

2

Содержание Введение……………………………………………………….................................4

1ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Свойства грунтов

1.1Основные понятия грунтоведения…………………………………….5

1.2Инженерно-геологические особенности грунтов………….................7

1.3Методы искусственного улучшения грунтов........................................11

1.4Инженерно-геологическое опробование……………………………..12

1.5Полевые методы определения состава грунтов…………...................15

2ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Определение свойств грунтов

2.1 Лабораторная работа №1

«Определение гранулометрического состава грунтов».....................20 2.2 Практическая работа

«Графическое изображение гранулометрического состава грунта»…………………………………………………………….................22

2.3 Лабораторная работа № 2

«Определение пористости песков»……………………………..............27 2.4 Лабораторная работа № 3

«Определение коэффициента фильтрации грунтов»………..............29 2.5 Лабораторная работа № 4

«Определение влажности грунтов»…………………………….............31 2.6 Лабораторная работа № 5

«Определение границ пластичности глинистых грунтов»………...33 2.7 Лабораторная работа № 6

«Определение плотности грунтов»…………..…………………………37 2.8 Лабораторная работа № 7

«Определение оптимальной влажности грунтов»…………...............41 2.9 Лабораторная работа № 8

«Определение усадки грунтов»…………..……………………..............44 2.10 Лабораторная работа № 9

«Определение набухания грунтов»…………..…………………...........47 2.11 Лабораторная работа № 10

«Определение размокаемости грунтов»……………………….............50 2.12 Лабораторная работа № 11

«Определение липкости глинистых грунтов»…………….…............52 2.13 Лабораторная работа № 12

«Определение угла естественного откоса песков»………………….55

Контрольные вопросы……………………………………………………………..57

Список литературы…………………………………………………………..........58

3

Введение

Настоящее учебное пособие содержит краткие сведения об основных понятиях грунтоведения, инженерно-геологическом опробовании (отбор проб грунта, их консервация, хранение и подготовка к исследованию). Приводятся данные об инженерно-геологических особенностях грунтов и методах улучшения строительных свойств дисперсных грунтов.

Далее представлены методические указания для самостоятельного выполнения студентами лабораторных работ по определению ряда характеристик различных грунтов. Методика лабораторных работ рассчитана на оборудование учебной лаборатории кафедры СКОФ, а их количество соответствует рабочей программе дисциплины «Грунтоведение».

Целью лабораторных работ является ознакомление студентов с методикой исследования физико-механических свойств грунтов, играющих значительную роль при проектировании фундаментов сооружений различного назначения, автомобильных дорог, подземных сооружений.

Лабораторные работы выполняются студентами самостоятельно под контролем преподавателя. Для этого академическая группа разбивается на бригады, закреплѐнные за определѐнными лабораторными столами. Назначенный преподавателем бригадир организует работу бригады и отвечает за сохранность конкретного комплекта лабораторного оборудования.

Приступая к лабораторной работе, каждый студент составляет конспект, в котором отражается:

понятие об определяемой характеристике, практическое значение характеристики,

список используемого оборудования, при необходимости дополненный схемами,

методика выполнения работы.

Далее, участвуя в коллективном выполнении опыта, студент заполняет таблицу, содержащую цифровой материал проводимых опытов и испытаний.

По окончании работы бригада приводит в порядок свой стол, моет и убирает оборудование. Лабораторная работа заканчивается обработкой результатов (в том числе и графической).

В конце занятия записи предъявляются преподавателю. В случае правильного выполнения работы и достоверности полученных результатов они з а- считываются как контрольная точка. При плохо организованной работе бригады и получении результатов, значительно отличающихся от среднестатистических, преподаватель оставляет за собой право требовать повторного проведения лабораторной работы.

Пропущенные студентами лабораторные работы должны быть отработаны в порядке, установленном кафедрой.

4

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Свойства грунтов

1.1 Основные понятия грунтоведения

Прежде, чем считать звезды, внимательно посмотри под ноги.

Восточная мудрость

Грунт - это любая горная порода (или почва, а также твѐрдые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, представляющие собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени), используемая как основание, среда или материал для возведения зданий и инженерных сооружений.

Для рационального применения грунтов в строительной практике проводят комплексные инженерно-геологические исследования, включающие определение их физических, водных, прочностных и деформационных свойств как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Вещественный состав грунта включает в себя:

а) твердую минеральную массу, состоящую из первичных зерен скелета грунта (обломков горных пород и минералов) и вторичных частиц, служащих цементирующим веществом грунта;

б) органические вещества, которые могут быть представлены торфом (грубой полуразложившейся массой растительных остатков) и гумусом (продуктом разложения растительных остатков в виде темного бесструктурного вещества);

в) воду в различных агрегатных состояниях и количествах (от десятых долей процента до полного водонасыщения).

І. Физические свойства грунтов характеризуют их физическое состояние в условиях природного (ненарушенного) залегания.

1. Плотность - это отношение массы твердых частиц грунта к их объему. Эта характеристика зависит только от плотности слагающих грунт минералов. Кроме того, различают еще несколько подобных характеристик, учитывающих содержание в грунте воды, газов и т.д. (объѐмная масса скелета грунта, объѐмная масса абсолютно сухого грунта, объѐмная масса влажной породы).

2. Пористость - суммарный объем всех пор в единице объема грунта, независимо от их величины, заполнения и характера взаимосвязи. Коэффи-

5

циент пористости равен отношению объѐма пустот к объѐму твѐрдой фазы грунта, выраженному в долях единицы.

3. Влажность - это содержание в грунте того или иного количества воды. Выделяют несколько разновидностей этой характеристики (естественная, весовая, объѐмная).

ІІ. Водные свойства - возникают в грунтах при взаимодействии их с водой или характеризуют отношения грунтов к воде.

1. Консистенция - степень подвижности частиц грунта, обусловленная различным содержанием в нѐм воды. Характеризует глинистые грунты и бывает твѐрдой, пластичной или текучей.

2. Пластичность - способность грунта изменять форму без нарушения сплóшности под воздействием внешних усилий и сохранять приданную форму после устранения воздействия. Пластичность грунтов изменяется в зависимости от количества и качества находящейся в грунте воды.

3. Липкость - способность грунтов, содержащих глинистые частицы при определенном содержании воды прилипать к предметам. Определяется усилием (МПа), которое надо приложить, чтобы оторвать предмет от грунта.

4.Размокаемость - способность грунта при погружении в спокойную воду терять связность и превращаться в рыхлую массу с полной или частичной потерей несущей способности.

5.Размягчаемость - уменьшение прочности грунта под влиянием увлажнения. Характеризуется коэффициентом размягчаемости, который равен отношению прочности водонасыщенного грунта к прочности сухого грунта.

6.Набухание - способность грунтов, содержащих глинистые частицы, увеличиваться в объѐме при увлажнении.

7.Усадка - процесс снижения объѐма глинистых грунтов при высыхании.

8.Влагоѐмкость (гигроскопическая, максимальная молекулярная) - способность грунтов вмещать в порах и удерживать на поверхности частиц

то или иное количество воды.

9. Водоотдача - способность грунта, насыщенного водой, отдавать еѐ под действием силы тяжести.

6

10.Капиллярность - наличие в грунте мелких пор различного сечения, формы и ориентации в пространстве, способствующих поднятию по ним некоторого количества воды из водоносного слоя в вышележащие слои.

11.Водопроницаемость - способность грунта пропускать через себя некоторое количество воды в единицу времени.

12.Водонасыщение - это свойство дисперсных грунтов впитывать и удерживать в себе свободную воду.

ІІІ. Механические свойства проявляются при приложении к грунтам внешних усилий:

1. Деформируемость грунтов проявляется в изменении формы и объѐма при воздействии внешних усилий, не приводящих к разрушению. Зависит от вида грунта, его структуры, пористости, состава, влажности.

2. Прочность - степень сопротивления грунта разрушающему воздействию на него внешних сил.

ІV. Химические свойства грунтов проявляются в зависимости от наличия в их составе некоторых компонентов:

1.Растворимость грунтов в воде зависит как от химического состава грунта, так и от состава воды.

2.Засоленность (степень засоленности) - содержание легко- и среднерастворимых солей в процентах от массы абсолютно сухого грунта. К

легкорастворимым солям относятся: хлориды NaCl, СaCl2, KCl, МgCl2; бикарбонаты NaHCO3, Na2CO3, Са(НСО3)2, Mg(НСО3)2; карбонат натрия

Na2CO3, сульфаты магния и натрия MgSO4, Na2SO4. К среднерастворимым солям относятся гипс CaSO4·2H2O и ангидрит CaSO4.

1.2Инженерно-геологические особенности грунтов

I. Скальные грунты

Большинство магматических горных пород (кроме рыхлых вулканокластических), метаморфических пород (кроме глинистых сланцев), а также ряд осадочных горных пород, сцементированным прочным водостойким цементом относят к скальным грунтам (гранит, базальт, мрамор, известняк, брекчия и

7

др.). Это жѐсткие, прочные, не изменяющиеся при увлажнении породы. Такие грунты надѐжны, и, как правило, не нуждаются в специальной подготовке.

II. Полускальные грунты

Сильно выветрелые МГП и МетГП, а так же некоторые ОГП относят к полускальным грунтам. Они жѐсткие и прочные в сухом состоянии. Но размягчаются при увлажнении, т.к. их связи ослаблены. Многие породы, отнесенные к полускальным грунтам, пористы или сильно трещиноваты.

Большинство ОГП относят к нескальным грунтам. Чрезвычайное разнообразие осадочных горных пород обуславливает разницу в свойствах таких грунтов.

1. Обломочные ОГП

а) грубообломочные породы (валуны, щебень, галька, дресва, гравий) от-

личаются высокой водопроницаемостью и, следовательно, высокой водоносностью. Их фильтрационные свойства зависят от размеров обломков, количества и качества заполнителя. В таких породах затруднена проходка котлованов, возможна фильтрация в основании и в обход плеч плотин, вынос заполнителя.

При оценке несущей способности и устойчивости грубообломочных осадочных пород в откосах, следует учитывать их степень рыхлости (подвижности):

при плотном расположении окатанных обломков они слабо уплотняются под нагрузкой и являются достаточно надежным основанием, однако, могут обладать пониженным сопротивление сдвигу;

неокатанные обломки непригодны в качестве оснований сооружений из-за их неоднородности, слабой уплотненности и неустойчивости на склонах. При определѐнной мощности слоя дресвы необходимо его снять и возводить сооружение на устойчивой и неопасной с точки зрения фильтрации коренной породе.

б) для среднеобломочных ОГП (песков) характерны такие общие инже- нерно-геологические свойства:

полное или частичное отсутствие сил сцепления между зернами в сухом состоянии;

зависимость прочности и сопротивления сдвигу не от влажности, а от плотности и окатанности зерен;

склонность к быстрой осадке при сотрясении;

умеренная пористость (30-40%) и водопроницаемость более 1 м/сут;

сохранение объѐма при увлажнении и высыхании.

Поведение песков в основаниях сооружений определяется их генезисом: эоловые пески наиболее рыхлые. Это может привести к значительным и неравномерным осадкам, особенно при сотрясении. Иногда

8

при увлажнении такие пески доуплотняются, что ведет к осадке сооружений;

плотные крупно- и разнозернистые пески морского, речного, водноледникового и ледникового происхождения могут являться надѐжным основанием. Но при сжатии таких песков в водонасыщенном состоянии они могут терять прочность и переходить в плывунное (разжиженное) состояние, особенно глинистые, илистые и слюдистые пески. В природном залегании они обычно прочны, но при вскрытии котлованами проявляют свойство плывунности. Для того чтобы плывуны стали надежными основаниями сооружений необходимо исключить возможность их движения.

Эффективные мероприятия по уплотнению сыпучих тел - встряхивание, метод силикатизации песков (для создания искусственного цемента в виде геля кремниевой кислоты в песок инъецируется жидкое стекло и рас-

твор CaCl2).

в) для мелкообломочных (пылеватых) ОГП наиболее значительным с точки зрения строительства свойством является способность уменьшаться в объѐме при увлажнении - просадочность. Пылеватые породы образуются в сухом климате, они обладают значительной пористостью и водонестойкими связями между частицами, что ведет к деформации сооружений. Использование пород лѐссовой подгруппы в качестве оснований сооружений требует специальной подготовки. С этой целью производят обжиг грунтов (по специально пробуренным скважинам пропускают горячий воздух).

2.Глинистые ОГП имеют характерные особенности:

пластичность, липкость и набухание при увлажнении, усадка при высыхании;

высокое водопоглощение, капиллярное поднятие, практическая водонепроницаемость;

зависимость прочности от степени увлажнения пород;

возможность нахождения в различных консистенциях.

Поведение глинистых грунтов определяется их генезисом:

древние морские осадки, как правило, достаточно плотны, имеют твѐрдую или полутвѐрдую консистенцию и обычно являются вполне надѐжным основанием;

современные морские осадки обладают высокой пористостью (4290%), влажностью (45-100%), сжимаемостью, из-за чего их относят к слабым основаниям; современные континентальные глины, как правило, слабо уплотнены,

могут иметь пластичную или текучую консистенцию. Поэтому такие грунты могут иметь большие и неравномерные осадки. Особенно нена-

9

дѐжны как основания озѐрно-ледниковые (ленточные) и элювиальные глинистые образования. При небольшой мощности толщу таких глин следует снимать и возводить сооружения на породах коренной основы. Способность глин быстро выветриваться и разуплотняться путем набухания при увлажнении сохранения природной влажности при вскрытии горными выработками.

3. Хемогенные ОГП

Образцы этих пород обладают значительной механической прочностью, однако, при проектировании на таких грунтах зданий и сооружений необходимо иметь данные о химическом составе пород, наличии в них трещин и полостей и о возможности увеличения последних в процессе эксплуатации сооружения.

На устойчивости хемогенных пород резко отражается растворимость водой. Поэтому при устройстве фундаментов должно быть исключено проник-

новение воды в толщу пород (карьеры гипса ограждают канавами). Воз-

можность растворения хемогенных ОГП за счет проникновения атмосферных осадков снижается, если растворимые породы прикрыты толщей водо-

непроницаемых (толщи каменных солей в природе обычно прикрыты чех-

лами глинистых г.п.). Галоиды и сульфаты (гипс) из-за высокой растворимости ненадежны как основания и вредны в качестве включений в грунтах.

Интенсивность растворения хемогенных ОГП зависит не только от их состава, но и от величины поверхности соприкосновения воды с породой (в трещиноватых больше), и от скорости движения воды. Движущиеся воды получают питание откуда-то со стороны и не являются насыщенным раствором. Их агрессивное влияние (растворение, а не механический размыв) будет сказываться на устойчивости грунтов. Если подземные воды не перемещаются, то они быстро насыщаются, и утрачивают свои агрессивные свойства.

Значительно улучшает условия строительства присутствие в кавернах хемогенных пород заполнителя в виде обломков, песка, глинистых частиц. Поэтому при отсутствии заполнителя его вносят искусственно, кроме песка и глины используют цемент и битум.

4.Органогенные ОГП как основания сооружений ненадежны, т.к. при определѐнных условиях подвержены выщелачивающему действию текущей воды.

5.Искусственные грунты - горные породы и почвы, сознательно преобразованные при решении различных инженерных задач или подвергшиеся

преобразованию в ходе производственной и хозяйственной деятельности человека.

10