Министерство образования и науки Российской Федерации

____

_ ___

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.К. Бугров А.П. Крутов Л.Н. Синяков

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Лабораторный практикум

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2012

УДК 624.131 (0.76.5)

ББК 38.58 я 73

Б 902

Механика грунтов. Лабораторный практикум: Учебное пособие / А.К. Бугров, А.П. Крутов, Л.Н. Синяков. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - 83 с.

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» В.Н. Бухарцев

доктор технических наук, профессор СПбГАСУ Р. А. Мангушев

Учебное пособие соответствует содержанию дисциплины Б2.Б.9 «Механика грунтов» Федерального государственного образовательного стандарта ВПО подготовки бакалавров и магистров по направлению 270800 «Строительство». Пособие может быть также использовано для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 280100 «Природообустройство и водопользование» и 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Включены материалы, необходимые для обучения студентов методам определения основных физико-механических свойств грунтов. Приводятся общие представления о характеристиках этих свойств и дано описание основных методик их определения.

Предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Механика грунтов» в рамках обучения по указанным направлениям и служит дополнением к рекомендуемым в СПбГПУ учебникам и учебным пособиям.

Ил. 29. Табл. 17. Библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

ISBN 5-7422-1057-4	 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Строительство зданий и сооружений (промышленно-гражданских, энергетических, гидротехнических и др.) ставит перед проектировщиками весьма сложные задачи, связанные с использованием грунтов в качестве оснований или материала вновь возводимых или реконструируемых сооружений. Для прогноза поведения грунтов применяют расчетные модели, позволяющие исследовать на стадии проектирования напряженно-деформированное состояние (НДС) основания, грунтового сооружения (плотины, насыпи дороги и т.п.), оценить их прочность и устойчивость, а также деформации, смещения, осадки и устойчивость взаимодейству-ющего с основанием инженерного сооружения.

Проведение расчетов оснований (грунтовых сооружений) предполагает использование комплекса физико-механических характерис-тик грунтов, числовые значения которых определяются опытным путем в лаборатории или (и) в полевых условиях по методикам действующих стандартов (ГОСТов).

Цель, которую ставили перед собой авторы учебного пособия - ознакомить студентов, обучающихся по специальностям направления «Строительство», с методиками лабораторного определения основных физико-механических характеристик грунтов. В данном издании учтены изменения в понятиях, терминологии и методиках испытаний грунтов, произошедшие с момента выхода учебного пособия «Механика грунтов. Лабораторный практикум» СПбГПУ, СПб, 2005 (авт.: А.К. Бугров, И.М. Васильев, А.П. Крутов), материалы которого частично использованы и в настоящем учебном пособии.

Лабораторные занятия организованы так, чтобы одну-две работы можно было сделать за одно занятие, т.е. в течение двух академических часов. Поэтому индивидуально каждым студентом выполняются наиболее простые по исполнению работы 1-5, двумя-тремя студентами - работы 6-9, группой (12-15 студентов) при параллельной работе на трех приборах - работы 10 и 11.

В связи с ограниченным временем проведения лабораторной работы образцы грунта к испытаниям подготавливаются квалифицированными лаборантами до занятия; с этой целью введены некоторые упрощения в методику испытаний (в частности, сокращено время кипячения грунта в воде, изменены значения условных критериев стабилизации деформаций и т.п.) – все они отражены в учебном пособии.

В процессе проведения лабораторных работ студентами ведется типовой «Журнал лабораторных работ по определению характеристик грунтов», в котором фиксируются исходные данные опыта, значения замеряемых в течение испытания величин и итоговые результаты определения характеристик исследуемых свойств грунта. Журнал является неотъемлемым дополнением к предлагаемому пособию и основным отчетным документом, подтверждающим выполнение студентами учебной программы лабораторных работ по механике грунтов.

Учебное пособие составлено преподавателями кафедры «Подземные сооружения, основания и фундаменты»: проф. А.К. Бугровым (работы 1, 4, 5, 8), проф. А.П. Крутовым (работы 2, 3, 9), доц. Л.Н. Синяковым (работы 6, 7, 10, 11) при участии инженеров Л.Н. Гощинской, Л.В. Федоровой, Т.М. Цаплевой.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

В соответствии с действующей сейчас в РФ классификацией (ГОСТ 2510095) грунт – это любая горная порода, а также техногенные образования, являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. По общему характеру структурных связей в ГОСТ 2510095 выделяются классы природных скальных, дисперсных, мерзлых и техногенных грунтов, в свою очередь подразделяемые на группы, подгруппы, типы и т.д. В научной и учебной литературе под природными грунтами понимают продукты физического и химического выветривания скальных горных пород литосферы Земли, представляющие собой отдельные твердые частицы из минералов или обломки скальных горных пород, т.е. в механике грунтов основное внимание уделятся дисперсным (нескальным) грунтам. Это объясняется тем, что основные проблемы строительства связаны именно с дисперсными грунтами. Соответственно, и способы определения основных характеристик разработаны для таких грунтов, некоторые из предложенных способов применимы и к другим классам грунтов.

Далее представлены способы и методики лабораторного определения наиболее важных физико-механических характеристик грунтов в отдельных работах (111), выполняемых студентами в течение семестра.

Работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЧАСТИЦ ГРУНТА ПИКНОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Основная особенность дисперсных грунтов (далее грунты) – их раздробленность на отдельные твердые частицы различной крупности. Между частицами имеются полости (поры), которые могут быть заполнены жидкостью и газом, т.е. в общем случае грунт при положительной температуре является трехфазной средой.

Для большей наглядности распределение фаз в элементе грунта принято иллюстрировать (рис. 1.1). Здесь m_т, m_в – массы твердых частиц и воды (масса газа ничтожно мала и не учитывается); V_гр, V_т, V_п, V_в, V_г – объемы соответственно грунта, твердых частиц, пор, воды и газа, V_гр=V_т+ +V_п, V_п=V_г +V_в.

Рис. 1.1. Объем и масса составляющих

грунта в его элементе

Плотность частиц грунта ρ_s – это отношение массы твердых (минеральных) частиц к их объему:

ρ_s = m_т/V_т . (1.1)

Плотность частиц грунта зависит от минерального состава и наличия органики. Для кварцевых песков ρ_s=2,65г/см³, а для многих глин – 2,702,75г/см³.

В настоящее время методика определения плотности частиц грунта регламентируется ГОСТ 518084. Данный стандарт применяется для грунтов без жестких структурных связей, т.е. для дисперсных грунтов, за исключением крупнообломочных.

Согласно ГОСТ 518084 определение плотности частиц грунта выполняется пикнометрическим методом. При этом последовательно вначале находится масса m_т твердых частиц путем взвешивания пробы грунта, предварительно высушенного при температуре (105±2) ⁰С до постоянной массы, затем их объем V_т. Объем твердых частиц определяется по массе вытесненной ими жидкости плотностью ρ_w (на основе закона Архимеда), для чего используются сосуды (стеклянные колбы) с мерной риской (чертой), называемые пикнометрами (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Пикнометр (а) и положение

мениска жидкости относительно риски (б)

Взвешиванием пикнометра с грунтом и жидкостью, налитой до мерной риски, а затем только с жидкостью, также налитой до риски (рис. 1.2, б), определяют соответственно массы m₁ и m₂. Величина (m_т+m₂m₁) – это масса вытесненной твердыми частицами жидкости плотностью ρ_w и соответственно величина (m_т+m₂m₁)/ρ_w – объем твердых частиц V_т. Плотность частиц грунта рассчитывается по формуле (1.1), принимающей вид

. (1.2)

Для всех грунтов, кроме засоленных и набухающих, в качестве жидкости используется дистиллированная вода, для засоленных и набухающих  нейтральная, т.е. не вступающая во взаимодействие с твердыми частицами и не растворяющая соли жидкость, например керосин, лигроин (ГОСТ 518084).

В лаборатории механики грунтов СПбГПУ студенты определяют ρ_s для песчаного (незасоленного) грунта, используя дистиллированную воду.

Определение плотности частиц дисперсного незасоленного грунта

Подготовка к испытаниям. Образец грунта, доведенный до воздушно-сухого состояния, размельчают в фарфоровой ступке, методом квартования отбирают среднюю пробу массой 100200 г и просеивают сквозь сито с отверстиями 2 мм, остаток на сите растирают в ступке и просеивают сквозь то же сито.

Метод квартования, используемый для отбора средней пробы грунта для испытания, состоит (ГОСТ 1253679) в следующем. Предназначенный для опытов грунт распределяют тонким слоем по листу плотной бумаги или фанеры, проводят ножом в продольном и поперечном направлениях борозды, разделяя поверхность грунта на квадраты, и отбирают грунт из каждого квадрата. При большом начальном объеме грунта операция квартования может повторяться, пока не останется объем грунта, необходимый для опытной пробы.

Из средней пробы берут навеску грунта из расчета примерно 15 г на каждые 100см³ емкости пикнометра и высушивают при t=105⁰C до постоянной массы^.

Проведение испытаний. Пикнометр, наполненный на 1/3 дистиллированной водой, взвешивают. Затем через воронку всыпают в него высушенную пробу грунта и снова взвешивают. Разность результатов взвешиваний дает массу твердых частиц (сухого грунта) m_т.

Пикнометр с водой и грунтом взбалтывают и ставят кипятить на песчаную баню для удаления пузырьков воздуха с частиц грунта^. Продолжительность кипячения должна составлять: для песков и супесей – 0,5 часа, для суглинков и глин – 1 час. После кипячения пикнометр охлаждают до комнатной температуры в ванне с водой. Температуру определяют термометром с точностью до ±0,5⁰С. После охлаждения пикнометра следует установить положение мениска воды в нем, добавляя воду пипеткой (капельницей) и доводя низ лунки мениска до касания с плоскостью круговой риски (рис. 1.2, б). Капли воды, расположенные выше риски, удаляют фильтровальной бумагой. Пикнометр вытирают снаружи и взвешивают, определяя массу m₁.

Далее выливают содержимое пикнометра, ополаскивают его, наливают в него дистиллированную воду и выдерживают в ванне с водой при той же температуре, что и для пикнометра с водой и грунтом. Затем выполняют операции по исправлению положения мениска и удалению капель воды, расположенных выше риски (см. выше). Взвешивая пикнометр с водой, определяют массу m₂.

Обработка результатов. Плотность частиц ρ_s рассчитывают по зависимости (1.2), принимая для воды ρ_w=1,00г/см³. Окончательный результат  это среднее двух определений  , при условии, что разница результатов параллельных определений не превышает 0,03 г/см³ при полученных значениях ρ_s≥2,75г/см³ и 0,02г/см³  при ρ_s< <2,75г/см³.

Таблица 1.1

Определение плотности частиц грунта

Номер опыта	Номер пикнометра	Масса, г					Температура воды, ^0С	Плотность частиц грунта , г/см^3
		чашечки	чашечки с высушенным грунтом	сухого грута mт	пикнометра с водой и грунтом m1	пикнометра с водой m2

Данные определений заносятся в таблицу (табл. 1.1), находящуюся в «Журнале лабораторных работ…».

Работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГРУНТА

Плотность грунта ρ – это масса единицы объема грунта (ГОСТ 518084).

В соответствии с рис. 1.1 (см. работу 1) плотность ρ определяется как отношение массы грунта m_гр=m_т+m_в (массой газа пренебрегают) к его объему V_гр=V_т+V_п, т.е.

. (2.1)

Плотность дискретных (нескальных) грунтов колеблется от 1,01,2 до 2,20–2,30т/м³, плотность скальных грунтов достигает 3,0т/м³ и более и зависит от минералогического состава частиц, содержания органических примесей, плотности сложения грунта и степени заполнения его пор водой.

Величина плотности является одной из основных характеристик грунта и широко используется при инженерно-технических расчетах, например при оценке несущей способности (устойчивости) оснований и откосов, определении осадок фундаментов, давления грунта на подпорные стенки, напряженного состояния грунта в основании сооружений.

Плотность грунта определяется в лаборатории методом режущего кольца или методом взвешивания в воде (ГОСТ 518084).

Определение плотности грунта методом режущего кольца

Подготовка к испытаниям. Метод режущего кольца применяется для дисперсных грунтов, легко поддающихся обработке ножом или не сохраняющиx свою форму без кольца, а также для сыпучемерзлых и с массивной криогенной структурой. Плотность грунта определяют с помощью режущего кольца-пробоотборника с заостренным нижним краем (угол заточки 30 или 45 град), пластинок с гладкой поверхностью (из стекла, металла и т.д.) и зачистного ножа. Внутренний диаметр режущего кольца должен быть не менее 50мм для немерзлых пылевато-глинистых грунтов и не менее 80мм для этих же грунтов в мерзлом состоянии, а высота  не более внутреннего диаметра (в лаборатории СПбГПУ применяется кольцо с внутренним диаметром 70мм и высотой 20мм). Нож для зачистки образца должен быть с прямым лезвием длиной, превышающей диаметр кольца.

Кольца и пластинки нумеруют и взвешивают, измеряют внутренний диаметр и высоту кольца с погрешностью не более 0,1мм. По результатам измерений вычисляют внутренний объем кольца с точностью до 0,1см³. В лаборатории СПбГПУ объем V и масса m₀ для пронумерованных колец принимаются по специальным таблицам.

Проведение испытаний. Кольцо-пробоотборник смазывают с внутренней стороны тонким слоем вазелина.

Верхнюю зачищенную плоскость образца грунта выравнивают, срезая излишки грунта ножом, устанавливают на выровненную поверхность кольцо режущим краем и винтовым прессом или вручную слегка вдавливают кольцо в грунт, фиксируя границу образца для испытаний. Затем грунт снаружи кольца обрезают на глубину 1см ниже режущего края кольца, формируя столбик грунта диаметром на 2мм больше наружного диаметра кольца. Периодически, по мере срезания грунта, легким нажимом насаживают кольцо на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт подрезают на 1см ниже режущего кольца и отделяют его. Грунт, выступающий за края кольца, срезают ножом, зачищают поверхность грунта вровень с краями кольца и закрывают торцы пластинками.

При пластичном или сыпучем грунте кольцо-пробоотборник плавно, без перекосов вдавливают на всю его высоту и удаляют грунт вокруг кольца. Затем зачищают поверхность грунта, накрывают кольцо пластинкой и подхватывают его снизу плоской лопаткой, переворачивают, зачищают поверхность грунта и накрывают кольцо другой пластинкой.

Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают, определяя массу m₁.

Обработка результатов. Плотность грунта ρ в соответствии с формулой (2.1) вычисляют по зависимости

,

где m₂–масса обеих пластинок, V–внутренний объем кольца, определяющий объем образца грунта, V=V_гр.

Данные определений и расчетов предлагается заносить в таблицу, рекомендуемую ГОСТ 518084 (приложение 7).

Окончательный результат принимается как среднее двух (трех) определений при условии, что разность между ними не превышает ±0,02г/см³.

Обычно метод режущего кольца применяется для определения начальной плотности грунта при компрессионных испытаниях и для определения сопротивления грунтов сдвигу. В полевых условиях с помощью колец вырезают образцы грунтов непосредственно на строительных площадках с поверхности основания или в шурфах.

Определение плотности грунта методом взвешивания в воде

За основу метода принято определение объема образца по весу (массе) вытесненной им воды (т.е. по закону Архимеда), для чего последовательно взвешивают его в воздухе и в погруженном в воду состоянии. Для предотвращения попадания воды в поры грунта образец покрывают парафиновой оболочкой (поэтому метод взвешивания в воде также называют методом парафинирования).

Согласно ГОСТ 518084 метод взвешивания в воде парафинированных образцов рекомендуется применять для грунтов пылевато-глинистых немерзлых, склонных к крошению или трудно поддающихся вырезке.

Для мерзлых грунтов вместо воды должна использоваться нейтральная жидкость (керосин, лигроин), при этом образец грунта и жидкость имеют отрицательную температуру.

Проведение испытаний. Вырезают образец грунта объемом не менее 50см³, острые углы срезают и взвешиванием определяют его массу m₁. Затем образец грунта покрывают парафиновой оболочкой, погружая его на 23 секунды каждой стороной в парафин, нагретый до температуры 5760⁰С. При этом пузырьки воздуха, обнаруженные в застывшей парафиновой оболочке, удаляют, прокалывая их и заглаживая места проколов нагретой иглой. Такую операцию повторяют до образования плотной парафиновой оболочки.

Охлажденный парафинированный образец вторично взвешивают, определяя массу m₂. Масса парафина, покрывающего образец, составляет m₃=m₂–m₁.

Затем парафинированный образец обвязывают ниткой, подвешивают к серьге коромысла весов и взвешивают погруженным в сосуд с водой, определяя массу m₄. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду, не допуская его касания с дном и стенками сосуда. Образец вынимают из воды, промокают фильтровальной бумагой, удаляют нитку и еще раз взвешивают на воздухе (определяют массу ) для проверки герметичности оболочки. Если полученная масса увеличилась более чем на 0,02 г по сравнению с m₂, образец следует забраковать и повторить испытание с другим образцом.

Обработка результатов. По полученным результатам измерений (m₁, m₂, m₃, m₄) плотность грунта вычисляется следующим образом.

Определяется:

а) объем парафина, которым покрыт образец:

,

где ρ_р – плотность парафина, принимаемая равной 0,9 г/см³;

б) объем образца с парафином:

,

где ρ_w  плотность воды при температуре испытаний, допускается принимать ρ_w =1г/см³;

в) объем образца без парафина:

V₃=V₂–V₁,

г) искомая плотность грунта:

ρ = m₁ /V₃.

Таблица 2.1