Определение влажности грунта

Номер опыта	Номер стакана	Масса стаканчика, г			Влажность грунта
		пустого с крышкой m1	с влажным грунтом m2	с высушенным грунтом m3

Физические характеристики  плотность ρ, влажность w и плотность частиц ρ_s грунта  определяются только экспериментально, они считаются основными и служат для определения следующих характеристик: плотности грунта в сухом состоянии ρ_d, пористости n, коэффициента пористости е и степени влажности грунта S_r.

Плотность грунта в сухом состоянии (сухого грунта или скелета грунта)^ находят так:

. (3.1)

Объем твердых частиц в единице объема грунта (скелетность грунта m) составляет (см. рис. 1.1)

или .

Пористостью грунта n называют отношение объема пор к общему объему грунта (cм. рис. 1.1):

n = V_п/V_гр.

Учитывая, что

n+m=1,

получаем

n= 1 – m = . (3.2)

Иногда n и m выражают в процентах, тогда n+m =100 %.

Коэффициент пористости е  это отношение объема пор к объему твердых частиц грунта (см. рис. 1.1):

e = V_п/V_т , или . (3.3)

Степенью влажности S_r (степенью водонасыщения) называют отношение объема пор, занятых водой (объема воды), к общему объему пор образца грунта (см. рис. 1.1):

S_r = V_в/V_п. (3.4)

Таким образом, степень влажности характеризует степень заполнения пор водой и изменяется от нуля (сухой грунт) до единицы (полное заполнение пор водой).

Из зависимости (3.4) в результате простейших преобразований получаем формулу для расчета S_r:

, (3.5)

где ρ_w – плотность воды, ρ_w=1,0 г/см³.

В соответствии с ГОСТ 2510095 по степени заполнения пор водой крупнообломочные и песчаные грунты условно разделяют на маловлажные (0 < S_r ≤ 0,5); влажные (0,5 < S_r ≤ 0,8) и насыщенные (0,8 < < S_r ≤ 1,0).

Определение величин ρ_d, n, е и S_r по соответствующим зависимостям (3.1), (3.2), (3.3) и (3.5) осуществляется с учетом ранее установленных экспериментально значений w (см. табл. 3.1), ρ_s (см. работу 1) и ρ (см. работу 2). Pезультаты заносят в «Журнал лабораторных работ…» в табличной форме.

Работа 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ СУХОГО НЕСВЯЗНОГО ГРУНТА В РЫХЛОМ И ПЛОТНОМ СОСТОЯНИЯХ.

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПЛОТНОСТИ СЛОЖЕНИЯ НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ

В природных условиях несвязные грунты, в частности пески, могут находиться в различных состояниях плотности сложения – от самого рыхлого до плотного. В свою очередь, при возведении грунтовых сооружений (насыпь дороги, дамбы, плотины и т.п.) предъявляются определенные требования к плотности укладки (сложения) несвязных грунтов, поскольку устойчивость структуры грунта и сооружения в целом при действии статических и особенно динамических нагрузок в значительной мере определяется достигнутой при укладке плотностью грунта.

Для отобранных на строительной площадке образцов песчаного (несвязного) грунта ненарушенной структуры в лаборатории устанавливают плотность его частиц ρ_s, плотность грунта ρ и влажность w (см. работы 13). По этим данным, используя формулы из работы 3, вычисляют плотность сухого (скелета) грунта ρ_d, пористость n или коэффициент пористости e. Чем больше величина ρ_d и меньше e или n, тем грунт плотнее, прочнее и менее деформируем. В частности, СНиП 2.02.0183^* (приложение) для оснований, состоящих из кварцевых песков, допускает определение механических характеристик деформируемости и прочности (Е, φ, с) производить по величине коэффициента пористости, который выступает мерой уплотненности песчаного основания. Однако для некварцевых песков и других несвязных грунтов эти рекомендации СНиПа оказались непригодными.

В работах [Иванов П.Л., 1962, 1978; Маслов Н.Н., 1961; Цыто- вич Н.А., 1963] было показано, что для достоверной оценки плотности сложения несвязных грунтов величин ρ_d, n, e недостаточно – в зависимости от формы твердых частиц (остроугольные, окатанные и т.п.) даже одинаковые по грансоставу грунты в одном и том же состоянии плотности сложения могут иметь различные значения ρ_d, n, e, и, наоборот, при одинаковых ρ_d, n, e грунты обладают различной степенью плотности сложения. Поэтому для оценки плотности сложения несвязных (песчаных, гравийно-галечных и др.) грунтов с 1950-х годов применяют общую характеристику плотности сложения, называемую степенью плотности (относительной плотностью, коэффициентом относительной плотности). Величину степени плотности J_D определяют по зависимости

, (4.1)

где e_max, e_min  коэффициенты пористости грунта в максимально рыхлом и плотном состояниях, e – коэффициент пористости грунта в условиях естественного основания или грунтового сооружения.

Величина J_D может изменяться в пределах от нуля до единицы: при e=e_max грунт находится в самом рыхлом состоянии и J_D=0, при e=e_min грунт имеет наиболее плотное сложение и J_D=1 (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Связь относительной плотности сложения J_D

с коэффициентом пористости е песчаного грунта

Диапазон изменения J_D = 01 обычно делят на три равные части и по величине степени плотности (относительной плотности) сложения вводят следующую условную классификацию несвязных грунтов:

грунты рыхлые (0 ≤ J_D ≤ 0,33);

грунты средней плотности (0,33 < J_D ≤ 0,66);

грунты плотные (0,66 < J_D ≤ 1,0).

При замене в формуле (4.1) величин e_max, e_min, e на соответствующие значения ρ_dmax, ρ_dmin, ρ_d по зависимости (3.3) получаем для степени плотности выражение

J_D = , (4.2)

где ρ_dmax, ρ_dmin и ρ_d – соответственно плотности сухого несвязного грунта в самом плотном, самом рыхлом и естественном состояниях.

Таким образом, для расчета величины J_D в лабораторных условиях необходимо найти ρ_dmax и ρ_dmin; ρ_d определяют для образцов ненарушенной структуры (см. выше).

Стандарта (ГОСТа) для определения плотностей в рыхлом и плотном состояниях пока не существует. Для получения ρ_dmin обычно применяют осторожную рыхлую отсыпку сухого грунта в мерный сосуд, для ρ_dmax – динамические методы (вибрирование, многократное постукивание) уплотнения этого грунта в мерном сосуде.

Определение плотности песка в рыхлом и плотном состояниях

Рыхлое сложение сухого песка достигается путем его осторожной отсыпки из воронки 1 через резиновый шланг 2 в металлический стакан 4 (рис. 4.2). Металлический стакан массой m₁ и объемом V₁ устанавливают на столе под воронкой, закрепленной на штативе таким образом, чтобы конец резинового шланга был немного выше края стакана (см. рис. 4.2, а). Затем, открывая зажим 3, осторожно, тонкой струей, засыпают сухой песок в стакан. При этом поверхность песка должна быть выше края стакана. Далее металлической линейкой срезают лишний объем на уровне края стакана (см. рис. 4.2, б). Эти операции необходимо выполнять очень осторожно, избегая малейших сотрясений, вызывающих уплотнение песка.

Рис. 4.2. Техника получения рыхлого (а, б) и

плотного (в) сложения сухого песка

Взвешивая стакан с рыхлонасыпанным песком, определяют массу m₂.

Учитывая возможные погрешности, опыт проводят не менее трех раз и за расчетное принимают наименьшее значение m₂.

Плотное сложение сухого песка достигается уплотнением песка в металлическом стакане, на который установлена металлическая насадка 5, путем постукивания по его стенкам металлическим молоточком 6 (см. рис. 4.2, в).

По мере уплотнения песок из воронки добавляют до тех пор, пока его поверхность не станет выше края стакана и он частично заполнит объем насадки. После уплотнения снимают насадку 5, срезают лишний песок линейкой и взвешивают стакан с песком, определяя массу m₃. Затем снова надевают насадку, досыпают песок, постукиванием молоточка уплотняют его и повторяют операции срезки лишнего песка и взвешивания и т.д.

Значения масс m₂, m₃ заносятся в таблицу, находящуюся в «Журнале лабораторных работ…».

По результатам определения масс m₂, m₃ плотности сухого песка в максимально рыхлом и максимально плотном состояниях рассчитываются по зависимостям

ρ_dmin = , ,

где m₁, V₁ – масса и объем стакана; принимаются по таблице, имеющейся в лаборатории.

С помощью полученных значений ρ_dmin, ρ_dmax и известного ρ_d (в учебной лаборатории задается преподавателем) по зависимости (4.2) студенты находят степень плотности сложения J_D и оценивают состояние песка по плотности в естественных условиях (рыхлое, средней плотности или плотное). Результаты определений заносятся в «Журнал лабораторных работ».

Работа 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ТЕКУЧЕСТИ И РАСКАТЫВАНИЯ, ВИДА ГЛИНИСТОГО ГРУНТА И ЕГО КОНСИСТЕНЦИИ

При изменении влажности состояние и свойства глинистых грунтов существенно меняются. Сильно увлажненная глина обладает способностью легко растекаться, основание из такого грунта  очень низкой несущей способностью. При уменьшении влажности глинистый грунт постепенно становится пластичным, а затем и твердым, основание из такого грунта обладает высокой несущей способностью, позволяя возводить на нем крупные ответственные сооружения (например, АЭС, ТЭС, ГЭС). Таким образом, каждому значению влажности соответствует определенное состояние (консистенция) глинистого грунта.

Для оценки состояний введены границы (пределы) между ними, характеризуемые величинами, называемыми пределом раскатывания (пластичности) w_p и пределом текучести w_L. Влажность w_p – это граница перехода из твердого состояния в пластичное, а w_L – из пластичного в текучее (рис. 5.1). Методики определения w_p и w_L регламентируются ГОСТ 518084.

Рис. 5.1. Консистенция глинистого грунта

в зависимости от его влажности

Полученные пределы текучести и пластичности используются для определения числа пластичности грунта:

I_p = w_L - w_p. (5.1)

Как показали многочисленные опыты, I_p растет с увеличением в грунте содержания глинистой фракции. Учитывая, что содержание глинистых частиц определяет вид грунта, число пластичности применяют для классификации грунтов (ГОСТ 2510095). В зависимости от числа пластичности различают: песок (I_p ≤ 0,01), супесь (0,01 < I_p ≤ 0,07), суглинок (0,07 < I_p ≤ 0,17) и глину (I_p > 0,17).

Зная естественную (природную) влажность грунта w (см. работу 3) и определив для него в лаборатории границы w_L и w_p, легко сделать заключение о консистенции грунта в природных условиях (см. рис. 5.1).

Для численной оценки консистенции грунта введен показатель текучести, или показатель консистенции I_L,

. (5.2)

При I_L < 0 грунт находится в твердом состоянии (твердая консистенция), при 0 ≤ I_L ≤ 1 – в пластичном, а при I_L > 1 – в текучем состоянии. Для суглинков и глин в ГОСТ 2510095 приведено более детальное деление консистенции пластичного состояния: полутвердая (0,00 ≤ I_L ≤ 0,25), тугопластичная (0,25 < I_L ≤ 0,50), мягкопластичная (0,50 < I_L ≤ 0,75) и текучепластичная (0,75 < I_L ≤ 1,00).