Министерство образования и науки РФ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Определение основных физических характеристик песчаных грунтов

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью лабораторной работы является приобретение соответствующего навыка работы с лабораторным оборудованием и закрепление полученных теоретических знаний на лекциях и в процессе самостоятельного обучения.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Грунт – горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

В инженерной деятельности человека грунты выполняют различную роль и используются в строительстве как:

· основание для зданий и сооружений;

· материал для насыпей и дорог;

· среда для тоннелей, трубопроводов, лотков и других подземных сооружений.

Песчаным грунтом называется несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % ( = 0).

В лабораторных условиях для определения влажности применяют весовой метод [6.1].

Весовой влажностью называется отношение массы воды, находящейся в грунте, к массе абсолютно сухих грунтовых частиц данного объема.

Определение гранулометрического состава заключается в разделении грунта на фракции и установление в пробе их процентного содержания. Совокупность частиц грунта с приблизительно одинаковыми размерами называется фракцией.

При определении гранулометрического состава распространенным является ситовой метод [6.2].

Степень неоднородности гранулометрического состава C_u – показатель неоднородности гранулометрического состава определяют согласно [6.3].

Плотность (объемную массу) грунта естественной структуры, равна отношению массы образца грунта к его объему.

Существует несколько лабораторных методов определения плотности грунта: режущего кольца и парафинирования [6.1]. Чаще всего применяют метод режущего кольца.

Плотностью частиц грунта называется отношение массы сухого грунта к объему твердой части этого грунта.

Пористость грунта – определяется отношением объема пор к объему грунта.

Коэффициент пористости – определяется отношением объема пор к твердой минеральной части грунта.

Степень влажности (коэффициент водонасыщения) – определяется отношением объема воды в порах к объему пор. Степень влажности характеризует степень заполнения объема пор грунта водой.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Определение природной (весовой) влажности

Необходимое оборудование:

· шкаф сушильный;

· термометр по ГОСТ 2823-73Е со шкалой от 0 до 200°С, с ценой деления 2°С;

· эксикатор по ГОСТ 23932-79Е с кальцием хлористым по ГОСТ 4460-77, прокаленным в муфельной печи;

· стаканчики алюминиевые ВС-1 с крышками;

· шпатель металлический;

· нож с прямым лезвием;

· щипцы тигельные;

· весы лабораторные по ГОСТ 24104-80Е с гирями по ГОСТ 7328-82Е;

· ступка фарфоровая и пестик по ГОСТ 9147-80Е;

· набор сит по ГОСТ 3584-73.

Влажность грунта следует определятькак отношение мас­сы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной мас­сы, к массе высушенного грунта.

3.1.1. Подготовка к испытаниям

Пробу грунта для определения влажности отбирают мас­сой 15-50 г, помещают в заранее высушенный, взвешенный и пронумерованный стаканчик и плотно закрывают крышкой.

3.1.2. Проведение испытаний

3.1.2.1. Пробу грунта в закрытом стаканчике взвешивают с точностью до 0,01 г.

3.1.2.2. Стаканчик открывают и вместе с крышкой помещают в нагретый сушильный шкаф. Грунт высушивают до постоянной массы при температуре (105 ± 2)°С.

3.1.2.3. Песчаные грунты высушивают в течение 3 ч, а остальные - в течение 5 ч.

Последующие высушивания песчаных грунтов производят в течение 1 ч, остальных - в течение 2 ч.

3.1.2.4. После каждого высушивания грунт в стаканчике охлаж­даютвэксикаторе с хлористым кальцием до температуры поме­щения и взвешивают.

Высушивание производят до получения разности масс грунта со стаканчиком при двух последующих взвешиваниях не более 0,02 г.

3.1.3. Обработка результатов

3.1.3.1. Влажность грунта W, %, вычисляют по формуле

, (1)

где т - масса пустого стаканчика с крышкой, г;

m₁ - масса влажного грунта со стаканчиком и крышкой, г;

m₂ - масса высушенного грунта со стаканчиком и крышкой, г.

Допускается выражать влажность грунта в долях единицы.

Результаты анализа регистрируют в журнале (табл.1 приложение 1).

3.2. Определение гранулометрического состава

Необходимое оборудование:

· набор сит (с поддоном); сита с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм;

· весы лабораторные по ГОСТ 19491—74 с гирями по ГОСТ 7328-73;

· стаканчики стеклянные по ГОСТ 7148- 70;

· ступка фарфоровая и пестик с резиновым наконечником по ГОСТ 9147- 73;

· нож с прямым лезвием;

Гранулометрический (зерновой) состав грунта следует оп­ределять по весовому содержанию в нем частиц различной круп­ности, выраженное в процентах по отношению к весу сухой пробы грунта, взятой для анализа.

3.2.1. Подготовка к испытаниям

Для определения гранулометрического (зернового) и мик-роагрегатного состава грунтов следует брать образцы, высушен­ные до воздушно-сухого состояния и растертые в фарфоровой ступ­ке пестиком с резиновым наконечником.

3.2.2. Проведение испытаний

3.2.2.1. Сита монтируют в колонку, размещая их от поддона в порядке увеличения размера отверстий: 0.1; 0,25; 0,5; 1; 2 мм. На верхнее сито надевают крышку.

3.2.2.2. Среднюю пробу для анализа следует отбирать методом квартования. Для этого распределяют грунт тонким слоем по лис­ту плотной бумаги или фанеры, проводят ножом в продольном и поперечном направлениях борозды, разделяя поверхность грунта на квадраты, и отбирают понемногу грунт из каждого квадрата.

Масса средней пробы должна составлять: для грунтов, не содер­жащих частиц размером более 2 мм, – 100 г; для грунтов, содер­жащих до 10% (по весу) частиц размером более 2 мм, – не менее 500 г; для грунтов, содержащих от 10 до 30% частиц размером более 2 мм, – 1000 г; для грунтов, содержащих свыше 30% частиц размером более 2 мм, – не менее 2000 г.

3.2.2.3. Взвешенную пробу грунта следует просеять сквозь на­бор сит с поддоном ручным спо­собом. Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, высыпают, начиная с верхнего сита, в ступку и дополнительно растирают пестиком с резиновым наконечником, после чего вновь просеивают на этих же ситах. Полноту просеивания фракций грунта проверяют встряхива­нием каждого сита над листом бумаги. Если при этом на лист вы­падают частицы, то их высыпают на следующее сито; просев про­должают до тех пор, пока на бумагу перестанут выпадать частицы.

3.2.2.4. Фракции грунта, задержавшиеся после просеивания на каждом сите и прошедшие в поддон, следует взвесить с точностью до 0,01 г.

Сложить веса всех фракций грунта. Если полученная сумма веса всех фракций грунта превышает более чем на 1% вес взятой для анализа пробы, то анализ следует повторить.

Потерю грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропорционально их весу.

3.2.3. Обработка результатов

3.2.3.1. Содержание в грунте каждой фракции А в % надлежит вычислять по формуле

, (2)

где – масса данной фракции грунта, г;

– масса средней пробы грунта, взятой для анализа, г.

3.2.3.2. Степень неоднородности гранулометрического состава C_u –определяют по формуле

, (3)

где , , диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.

Результаты анализа регистрируют в журнале (см. приложение 2) в котором указывают процентное содержание в грунте фракций и изображаются графически в полулогарифмической шкале (рис.1).

Руководствуясь ГОСТ 25100-95 определяем тип песчаного грунта (крупный, средней крупности, мелкий или пылеватый), (см. приложение 3 табл.1).

Рис.1 Кривая неоднородности гранулометрического состава грунта

3.3. Определение плотности грунта

Необходимое оборудование:

· нож с прямым лезвием;

· кольца-пробоотборники;

· весы лабораторные по ГОСТ 19491–74 с гирями по ГОСТ 7328-73;

· технический вазелин.

Плотность грунта определяется отношением массы образца грунта к его объему.

3.3.1. Подготовка к испытаниям

3.3.1.1. Согласно требованиям таблицы выбирают режущее коль­цо-пробоотборник.

Таблица. – Размеры колец для различных наименований грунтов

3.3.1.2. Кольца-пробоотборники изготавливают из стали с антикоррозионным покрытием или из других материалов, не уступающих по твердости и коррозионной стойкости.

3.3.1.3. Кольца нумеруют, измеряют внутренний диаметр и вы­соту с погрешностью не более 0,1 мм и взвешивают. По результа­там измерений вычисляют объем кольца с точностью до 0,1 см³ по формуле

, (4)

где d – внутренний диаметр кольца, мм;

h – высота кольца. Мм.

3.3.1.4. Пластинки с гладкой поверхностью (из стекла, металла) нумеруют и взвешивают.

3.3.2. Проведение испытаний

3.3.2.1. Кольцо-пробоотборник смазывают с внутренней стороны тонким слоем вазелина.

3.3.2.2. Верхнюю зачищенную плоскость образца грунта вырав­нивают, срезая излишки грунта ножом, устанавливают на ней ре­жущий край кольца и винтовым прессом или вручную через на­садку слегка вдавливают кольцо в грунт, фиксируя границу об­разца для испытаний. Затем грунт снаружи кольца обре­зают на глубину 5—10 мм ниже режущего края кольца, фор­мируя столбик диаметром на 1—2 мм больше наружного диамет­ра кольца. Периодически, по мере срезания грунта, легким нажи­мом пресса или насадки насаживают кольцо на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт подреза­ют на 8—10 мм ниже режущего края 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 плавно, без перекосов вдавливают в него и удаляют грунт вокруг кольца. Затем зачищают поверхность грунта, накрывают кольцо пластинкой и подхватывают его снизу плоской лопаткой.

3.3.2.3. Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают.

3.3.3. Обработка результатов

3.3.3.1. Плотность грунта , г/см³, вычисляют по формуле

, (4)

где m₀ – масса грунта, г;

т – масса кольца с грунтом и покрывающими пластинками г;

m₁ – масса кольца, г;

m₂ – масса покрывающих пластинок, г.

V – внутренний объем кольца, см³.

Результаты анализа регистрируют в журнале (табл.2. приложение 1)

3.4. Определение плотности сухого грунта расчетным методом

3.4.1. Для определения плотности сухого грунта предварительно определяют влажность грунта и его плотность при этой влажности.

3.4.2. Плотность сухого грунта , г/см³, вычисляют по формуле

, (5)

где – плотность грунта, г/см³;

W – влажность грунта, %.

3.5. Определение плотности частиц грунта пикнометрическим

методом

Необходимое оборудование:

· весы лабораторные по ГОСТ 19491–74 с гирями по ГОСТ 7328-73;

· шкаф сушильный или вакуумный сушильный;

· термометр по ГОСТ 2823–73Е со шкалой от 0 до 200°С, с ценой деления 2°С;

· эксикатор по ГОСТ 23932–79Е с кальцием хлористым по ГОСТ 4460–77;

· стаканчики стеклянные по ГОСТ 23932–79Е или алюминиевые ВС-1 с крышками;

· шпатели металлические;

· щипцы тигельные;

· весы лабораторные по ГОСТ 24104–80Е с гирями по ГОСТ 7328–82Е;

· ступка фарфоровая и пестик по ГОСТ 9147–80Е;

· набор сит по ГОСТ 35847–73;

· вода дистиллированная;

· воронка стеклянная;

· термометр по ГОСТ 2823–73Е со шкалой от 0 до 50°С, с ценой деления 0,5°С;

· пикнометры по ГОСТ 22524–77Е;

· пипетка или капельница;

· фильтрованная бумага.

Плотность частиц грунта определяется отношением мас­сы частиц грунта к их объему.

3.5.1. Подготовка к испытаниям

3.5.1.1. Образец грунта в воздушно-сухом состоянии размель­чают в фарфоровой ступке, отбирают методом квартования сред­нюю пробу массой 100–200 г и просеивают сквозь сито с сеткой № 2, остаток на сите растирают в ступке и просеивают сквозь то же сито.

3.5.1.2. Из перемешанной средней пробы берут навеску грунта из расчета 15 г на каждые 100 мл емкости пикнометра и высушивают до постоянной массы.

3.5.2. Проведение испытаний

3.5.2.1. Пикнометр, наполненный на ¹/₃ дистиллированной во­дой, взвешивают. Затем через воронку всыпают в него высушен­ную пробу грунта и снова взвешивают.

3.5.2.2. Пикнометр с водой и грунтом взбалтывают и ставят кипятить на песчаную баню. Продолжительность спокойного ки­пячения (с момента начала кипения) должна составлять: для пес­ков и супесей – 0,5 ч, для суглинков и глин – 1 ч.

3.5.2.3. После кипячения пикнометр следует охладить и долить дистиллированной водой до мерной риски на горлышке.

Пикнометр охлаждают до комнатной температуры в ванне с водой. Температуру пикнометра определяют по температуре воды в ванне, измеряемой с точностью до ± 0,5°С термометром, рас­положенным в средней части ванны между пикнометрами.

3.5.2.4. После охлаждения пикнометра следует поправить поло­жение мениска воды в нем, добавляя из капельницы дистиллиро­ванную воду. В пикнометре с мерной риской низ мениска должен совпадать с ней. Возможные капли воды выше риски удаляют фильтровальной бумагой. Пикнометр с капилляром доливают при­мерно до середины шейки пикнометра, закрывают пробку и удаля­ют выступившую из капилляра воду фильтровальной бумагой. Проверяют отсутствие пузырьков воздуха под пробкой и при их наличии вновь доливают воду.

Пикнометр вытирают снаружи и взвешивают.

3.5.2.5. Далее выливают содержимое пикнометра, ополаскивают его, наливают в него дистиллированную воду и выдерживают в ванне с водой при той же температуре. Затем выполняют опера­ции, указанные в п. 3.5.2.4, и взвешивают пикнометр с водой.

3.5.3. Обработка результатов

Плотность частиц грунта , г/см³, вычисляют по формуле

, (6)

где m₀ – масса сухого грунта, г;

m₁ –масса пикнометра с водой и грунтом после кипячения при тем-

пературе испытания, г;

m₂ – масса пикнометра с водой при той же температуре, г;

– плотность воды при той же температуре, г/см³.

Для ориентировочных подсчетов можно принимать значения плотности частиц грунта в таблице.

Таблица. – Значения плотности частиц

Наименование грунта	Плотность частиц , г/см3
пески	2,66
супеси	2,70
суглинки	2,71
глины	2,74
лессовидные суглинки	2,68

3.6. Определение расчетных характеристик песчаного грунта

3.6.1.Пористость грунта вычисляется по формуле

, (7)

где - плотность сухого грунта, г/см³;

– плотность частиц грунта, г/см³;

3.6.2. Коэффициент пористости вычисляется по формуле

, (8)

где – плотность частиц грунта, г/см³;

– плотность грунта, г/см³;

W – весовая (природная) влажность грунта, доли единиц.

В таблице приведены значения пористости и коэффициента пористости.

Таблица. – Пористость и коэффициент пористости

Чем меньше пористость грунта, тем плотнее грунт, тем меньше будет деформация сжатия грунта при прочих равных условиях.

Коэффициент пористости характеризует уплотненность грунта и используется для оценки его пригодности в качестве основания сооружений.

Природное состояние песчаных грунтов оценивается по плотности сложения в зависимости от коэффициента пористости согласно [6.3] (см. приложение 3, табл.2).

3.6.3. Степень влажности вычисляется по формуле

, (9)

где =1 г/см³ – плотность воды.

По степени влажности песчаные грунты классифицируются согласно [6.3]. (см.табл.3 прил.3).

3.6.4. Условное сопротивление песчаных грунтов определяется согласно [6.4] по таблице (см. прил.4).

4. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

4.1. Титульный лист отчета оформляется согласно Приложения 5.

4.2. Отчет выполняется на листах писчей бумаги формата А4 с одной стороны разборчивым почерком или с помощью принтера с оставлением полей слева 3,0 см, справа – 1,5 см, сверху и снизу – 2,0 см, междустрочный интервал – полуторный. Стиль изложения должен быть ясным и точным.

4.3. Рисунки должны быть выполнены тушью, мягким карандашом или на принтере.

4.4. Отчет начинается с названия лабораторной работы и ее номера. Указывается цель работы, необходимое оборудование, основные определения физических характеристик, формулы с расшифровкой переменных, таблицы, графики. В конце работы должен быть вывод.

4.5. Защита лабораторной работы происходит устно или письменно по вопросам, приведенным в п.5.

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЩИТЕ РАБОТЫ

5.1. Что называется песчаным грунтом?

5.2. Дайте определение весовой влажности?

5.3. Дайте определение гранулометрического состава.

5.4. Дайте определение плотности.

5.5. Дайте определение плотности частиц грунта.

5.6. Методика определения влажности песчаного грунта в лабораторной работе.

5.7. Методика определения наименование песчаного грунта по крупности в лабораторной работе.

5.8. Методика определения плотности грунта в лабораторной работе.

5.9. Какие характеристики определяли по графику кривой зернового состава в лабораторной работе?

5.10. Каким методом определяли плотность грунта в лабораторной работе?

5.11. Какую характеристику определяли с помощью режущего кольца в лабораторной работе?

5.12. Каким прибором определяется плотность частиц грунта?

5.13. Какие характеристики песчаного грунта надо знать, чтобы определить коэффициент пористости?

5.14. Песчаный грунт является однородным, если …?

5.15. Песчаный грунт является неоднородным, если …?

5.16. Перечислить характеристики, которые необходимы для определения плотности сложения песчаного грунта?

5.17. Перечислить нормативные документы по определению физических характеристик песчаного грунта.

5.18. Перечислить характеристики от которых зависит расчетное сопротивление песчаного грунта R₀.

5.19. Что больше: плотность грунта или плотность частиц грунта? Привести значения плотностей из лабораторной работы и объяснить разницу значений.

5.20. В чем заключается физический смысл степени влажности грунта?

5.21. Задача по определению влажности песка.

5.22. Задача по определению крупности песка по результатам гранулометрического анализа.

5.23. Задача по вычислению коэффициента пористости грунта.

5.24. Задача по определению расчетного сопротивления песчаного грунта.

5.25. Задача на применение формул из лабораторной работы.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Таблица 1. – Журнал определения влажности грунта

Таблица 2. – Журнал определения плотности грунта методом режущего кольца

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Таблица. – Журнал лабораторного определения гранулометрического (зер

нового) состава грунта

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Таблица 1. – Извлечение из табл. Б.10 ГОСТ 25100-95

Таблица 2. – Классификация песчаных грунтов по коэффициенту пористости

Таблица 3. – Характеристика песчаных грунтов по степени влажности

Степень влажности	Признаки
Маловлажный 0,5	При сжатии образца грунта в ладони ощущается влага; при встряхивании на ладони он рассыпается на комки; на фильтрованной бумаге образец песка оставляет влажное пятно.
Влажные 0,5< 0,8	При сжатии образца грунта в ладони выступает вода; образец некоторое время сохраняет приданную ему форму; на фильтрованной бумаге образец грунта оставляет влажное пятно.
Насыщенные водой > 0,8	Встряхиваемый на ладони образец расползается, образуя лепешку, или растекается.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Таблица. – Извлечение из табл.2 прил.24 СНиП 2.05.03-84

Примечание. Для плотных песков приведенные значения R₀ следует увеличивать на 100 %, если их плотность определена статическим зондированием, и на 60 %, если их плотность определена по результатам лабораторных испытаний грунтов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5