ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КОМПРЕССИОННОГО ПРИБОРА КПР-I И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для исследования компрессионных свойств грунта используется компрессионный прибор КПР-1 (рисунок 3а) с площадью испытуемого образца грунта F=60 см .

Прибор имеет две основные части – собственно одометр и рычажный пресс. Рычажный пресс представляет собой стол 1, сваренный из металлических уголков, на который устанавливается одометр 2. Рычажное

а – рычажный пресс; б – одометр

Рисунок 3 – Схема компенсационного прибора КПР-1:

устройство расположено под панелью стола на подвеске 3. Давление на грунт передается через секторный рычаг 4 (с отношением длин плеч 1:10) грузом 5. Уравновешивается рычажная система противовесом 6.

Одометр (рисунок 3б) представляет собой сборную конструкцию, включающую рабочее кольцо 8, вставленное в обойму 7, свинченную в свою очередь с перфорированной нижней частью корпуса одометра 9 и днищем 10. Кроме того, в обойму 7 сверху ввинчено направляющее кольцо одометра 12, в которое вставляется перфорированный штамп 13. Избыток воды, образующийся при сжатии грунта, удаляется сверху через отверстия штампа, снизу - через подобные отверстия в нижней части корпуса 9 и далее – через отвод наружу. Осадка грунта замеряется двумя индикаторами часового типа, расположенными на верхнем штампе одометра. Одометр в собранном виде устанавливается на панель стола 1.

Подготовительные работы

Из монолита грунта с ненарушенной структурой методом режущего кольца вырезают образец для исследования. Кольцо с образцом взвешивается. Зная массу кольца и его объем, подсчитывают плотность грунта r при естественной влажности. Из оставшейся после срезки части грунта берут пробу на влажность (см. работу №2). С торцов кольца на поверхность грунта накладываются кружки фильтрованной бумаги.

Сборка прибора

Кольцо с грунтом ставится острым краем вверх на нижнюю часть корпуса одометра 9, собранную с днищем корпуса 10, после чего верхняя и нижняя части корпуса свинчиваются. В верхнюю обойму вворачивается направляющее кольцо одометра 12, сверху на грунт накладывается перфорированный штамп 13, на котором устанавливаются держатели с индикаторами часового типа. Смонтированный одометр устанавливается на панель стола, в держателях закрепляются индикаторы, после чего к штампу прикладывается первая ступень нагрузки.

Проведение испытаний

При определении массы грузов, укладываемых на подвеску рычага, должна быть учтена масса нагрузочной рамки(2,3 кг.). Так, для создания удельного давления на грунт 25 Па на подвеску рычага должен быть уложен груз 1,27 кг, создающий вместе с массой рамки усилие на штамп одометра: (1,27´10+2,3)´10=150 Н или удельное давление на грунт =25 Па.

Далее нагрузка может увеличиваться любыми ступенями из расчета: каждое последующее увеличение удельного давления на 25 Па требует дополнительной установки на подвеску груза в 1,5 кг. С момента приложения каждой ступени давление записывают показания индикатора через 1, 2, 4 и 8 минут (8-минутная выдержка условно принимается для учебных целей за время стабилизации деформаций), после чего прикладывается очередная ступень нагрузки. Операция взятия отчетов по индикаторам повторяется, и деформация с нарастающим итогом записывается в журнале испытания. После приложения конечной проектной (или заданной с учебной целью) нагрузки и взятия соответствующих отчетов по индикаторам испытания заканчивают в такой последовательности:

а) снимают индикаторы;

б) освобождают от гирь подвеску и снимают давление со штампа;

в) разбирают одометр, отвинчивая нижнюю часть корпуса и днище и вынимая кольцо из обоймы.

Прибор после каждого испытания тщательно очищают от грунта, промывают, насухо вытирают и смазывают тонким слоем вазелина.

Результаты компрессионных испытаний помещают в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Журнал компрессионных испытаний грунта

№ п.п.	Масса гирь на подвеске, кг	Давление P, МПа	Показания индикаторов, мм	Вертикальная деформация образца, мм	Коэффициент пористости e_i	Коэффициент сжимаемости a_i	Коэффициент относительной сжимаемости a₀	Модуль общей деформации E₀
прав.	лев.

4 ОПИСАНИЕ КОМПРЕССИОННОГО ПРИБОРА ПОЛЕВОЙ ЛАБОРАТОРИИ ЛИТВИНОВА И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для исследования компрессионных свойств грунта используется компрессионный прибор полевой лаборатории Литвинова (рисунок 4).

1 – основная часть прибора; 2 – зажимное устройство; 3 – гири;

4-6 – подвески к рычагу; 5 – рычажная система; 7 – индикатор

Рисунок 4 – Полевой прибор лаборатории Литвинова

Соотношения в рычажной системе этого прибора таковы: приложение груза к рабочей подвеске рычага в 1 кг вызывает давление на поршень в 250 Н. Площадь внутреннего сечения компрессионной гильзы равна 25 см ,удельное давление на испытуемый грунт равно 0,1 МПа.

4.1 Установка и загрузка прибора

1. нижняя часть прибора привинчивается зажимным устройством к столу.

2. Из монолита отбирается образец грунта в грунтоотборную гильзу (режущее кольцо). Грунтоотборная гильза является обоймой для образца грунта при его испытании.

3. На нижнюю часть прибора кладется бумажный фильтр.

4. На бумажный фильтр помещается кольцо с грунтом, режущей кромкой вверх.

5. Грунт закрывается бумажным фильтром и сверху на образец устанавливается поршень с верхним дренажным диском. После этого прибор завинчивают.

6. Поршень устанавливают так, чтобы он только касался верхней поверхности грунта, и закрепляют его винтом, препятствующим вертикальному перемещению поршня.

7. Устанавливают рычажную систему, прикрепляя ее к верхней части зажимного устройства и опирая на призму штока поршня. Рычаг уравновешивают в нейтральном положении гирями на подвеске противовеса.

8. Закрепляют индикатор в траверзе прибора так, чтобы его стержень, фиксирующий деформацию, упирался в поршень. При этом стержень должен приподняться вверх на 70-80% свободного хода, т.е. на 7-8мм. При помощи обоймы устанавливают индикатор на нулевое деление.

9. закончив установку прибора, опускают зажимный винт поршня и приступают к испытанию.

4.2 Порядок проведения испытания

Загрузку прибора производят ступенями. Первая ступень 0,05 МПа. Предельная величина загрузки устанавливается заданием (обычно 40-60 Н). Отсчеты по индикатору брать через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 60 мин., а затем через каждый час до достижения условной стабилизации деформаций. За условную стабилизацию деформации принимают величину сжатия грунта не более 0,01 мм:

- для песчаных грунтов - за 4 часа;

- супесей - за 10 часов;

- суглинков и глин - за 16 часов.

В процессе испытания снимать гири и заменять их другими нельзя. Для сокращения времени студенты берут отсчеты по индикатору с момента приложения каждой ступени через 2, 4 и 8 мин.

Результаты испытаний записываются в журнал (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Журнал испытания

№ п.п.	P₁ = 0,05 МПа	P₂ = 0,1 МПа	P₃ = 0,2 МПа	P₄ = 0,4 МПа
Время, мин	Осадка мм	Время, мин	Осадка мм	Время, мин	Осадка мм	Время, мин	Осадка мм

Осадка третьего замера S_k при данной нагрузке записывается в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 - Оформление результатов опыта

P, МПа	S_k конечная мм	S_прприбора, мм	S_гр = = S_k - S_пр мм	Относит. сжатие S/H	Приращение коэфф. пористо-сти D е	Коэфф. порис-тости е	Примечание
0,0 0,05 0,1 0,2 0,4		0,032 0,053 0,088 0,126				е₀= е₁= е₂= е₃= е₄=	h = 20 мм

5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

По предварительно определенной плотности грунта и плотности частиц грунта и влажности w подсчитывают плотность сухого грунта :

иначальный коэффициент пористости :

= .

Коэффициент пористости для каждой ступени нагрузки определяют по формуле:

где - сжатие образца при данной ступени нагрузки;

h - высота образца (кольца) до опыта, мм.

По полученным данным строятся компрессионные кривые e=f( ). Определяют коэффициент сжимаемости (МПа )

;

Коэффициент относительной сжимаемости:

;

Модуль общей деформации в тех же интервалах вычисляют по формуле:

;

где - поправка, учитывающая отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе, принимаемая для пылеватых и мелких песков =0,6; супесей =0,7; суглинков =0,5; глин =0,4.

По величине коэффициента относительной сжимаемости при небольших нагрузках (0,1-0,2 МПа) судят о сопротивлении глинистого грунта сжатию:

- грунт сильно сжимаемый;

- грунт средней сжимаемости;

- грунт практически несжимаемый.

6 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Основные теоретические положения.

2. Краткое описание приборов.

3. Методика выполнения работы.

4. Таблицы испытаний.

5. График зависимости коэффициента пористости от нагрузки.

6. Краткие выводы по результатам испытаний.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Испытание глинистых грунтов на сдвиг без предварительного уплотнения

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является определение наименьшего касательного напряжения , при котором образец грунта срезается по намеченной плоскости при заданном нормальном напряжении .

2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сопротивление грунта сдвигающим усилием обусловлено силами внутреннего трения отдельных частиц и силами сцеплениямежду частицами. Характеристиками прочности и устойчивости грунтов являются угол внутреннего трения и удельная сила сцепления С .

Зависимость между касательными напряжениями и внутренними силами, оказывающими сопротивление сдвигу, выражается законом Кулона.

Для связных грунтов , т.е. предельное сопротивление связных грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального напряжения, и состоит из двух частей: первой - силы трения, прямо пропорциональной нормальному напряжению, и второй - силы сцепления, не зависящей от нормального напряжения. Для песчаных грунтов , т.е. сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному напряжению.

Зависимость между касательными и нормальными напряжениями можно выразить графически (рисунок 1)

Рисунок 1 – Зависимость между касательными и нормальными напряжениями

- коэффициент внутреннего трения;

- удельная сила сцепления;

- напряжение связности.

Краткое описание прибора

Испытание грунта на сдвиг производится в приборе П9-С, входящем в состав полевой лаборатории И.И.Литвинова. Прибор имеет одну плоскость среза.

Основные детали прибора:

1. Основание прибора, привинчивающееся к столу, струбциной.

2. Подвижная часть гильзы для образца грусть.

3. Подвижная каретка с дренажным диском.

4. Верхняя неподвижная часть гильзы.

5. Дренажный поршень.

6. Индикатор для измерения горизонтальной деформации.

Рисунок 2 – Схема прибора П9-С

Вертикальное давление и горизонтальная сила передаются на образец грунта при помощи рычагов. Соотношение плеч рычагов 1:25.

Подготовка к испытанию

Для испытания может быть взят грунт:

1) ненарушенной структуры и природной влажности;

2) ненарушенной структуры, но предварительно увлажненный до полного насыщения пор водой с целью исключений при испытании влияния поверхностного натяжения воды;

3) нарушенной структуры.

При испытании грунта нарушенной структуры и природной влажности монолиты сразу жепереносятся в прибор и уплотняются в течение 5 минут.

Образцы грунта, предварительно увлажненные, в течение 12 часов уплотняются в приборе предварительного уплотнения, а потом уже подвергаются испытанию на сдвиг.

При испытании образцов грунта нарушенной структурыимискусственно придают заданную плотность и консистенцию, а затем подвергают испытанию на сдвиг.

Минимальное количество образцов для испытания должно быть два. Дляконтроля полученных результатов желательно провести 3 испытания.

Порядок проведения испытания

1. Отбирают три образца грунта из одного и того жемонолита. Отбирают грунт в режущие кольца d = 56,5мм и h = 20 мм при помощи грунтоотборника.

2. На дно нижней части прибора укладывают бумажный фильтр. Собирают прибор так, чтобы верхняя и нижняя части прибора представляла собой гильзу высотой 20мм.

3. Режущее кольцо с отобранным грунтом помещают на верхнюю часть прибора режущей частью вверх.

4. При помощи специального выталкивателя перемещают грунт из кольца в гильзу прибора.

5. Сверху на грунт кладется бумажный фильтр. Устанавливается верхняя часть прибора с поршнем, передающим вертикальное давление. Верхняя часть прибора плотно завинчивается винтами.

6. Уравновешивают телескопический рычаг противовесом, для этого на короткую часть рычага на подвеску кладутся две гири по 0,5 кг.

7. Отпускают зажимный винт поршня и нагружают образец заданным давлением. В течение 5 минут грунт только уплотняется.

8. Устанавливают индикатор сбоку прибора так, чтобы острие прибора касалось нижней подвижной части прибора. Закрепляют рычаг, передающий на образец горизонтальную силу.

9. После уплотнения грунта отпускают зажимные винты сбоку прибора и загружают образец горизонтальной нагрузкой. Горизонтальную нагрузку прикладывают ступенями. Каждая ступень нагрузки берется равной 0,1 от уплотняющей нагрузки. Каждую ступень горизонтальной нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации сдвига.

За условную деформацию принимают скорость сдвига,не превышающую 0,01мм в минуту.

За сдвигающую нагрузку принимают ту, при которой возникает резко возрастающая, нестабилизирующаяся деформация сдвига.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Определение водопроницаемости песчаных грунтов

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Настоящая лабораторная работа посвящена приобретению навыков, необходимых для исследования водопроницаемости песчаных грунтов. Кроме того, задачей данной лабораторной работы является ознакомление с методами определения водопроницаемости и их критической оценки с целью выбора наиболее целесообразного способа исследований. В результате выполнения настоящей работы исполнитель должен:

1. Уяснить сущность метода определения коэффициента фильтрации.

2. Изучить устройство приборов, применяемых для определения коэффициента фильтрации.

3. Освоить приёмы работы при проведении исследований с целью определения количественной оценки водопроницаемости песчаных грунтов.

2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Свойство грунтов пропускать через себя жидкость, газы и их смеси при наличии перепада давления называется проницаемостью. При гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях обычно приходится изучать водопроницаемость грунтов, под которой понимают способность последних пропускать воду. Степень водопроницаемости у разных грунтов различна и зависит от размеров и формы имеющихся в них пор. В песках, обладающих порами крупных размеров, просачивание или фильтрация воды происходит легче и быстрее, чем в пылевато-глинистых грунтах, которые имеют большое количество пор очень малого поперечного сечения. Движение воды в порах под действием перепада давления или фильтрации в полностью водо-насыщенных грунтах при ламинарном режиме течения подчиняется линейному закону фильтрации – закону Дарси.

Объём воды, протекающей параллельными струйками через водопроницаемое тело площадью поперечного сечения , см , за время t, с, по закону Дарси определяется по формуле

где - коэффициент фильтрации, см/с (м/сут);

I – гидравлический градиент, характеризующий потерю напора на единицу фильтрационного пути.

Объём воды , протекающей в 1 с через поперечное сечение площадью 1 см , называется скоростью фильтрации. Скорость фильтрации при I = 1 является коэффициентом фильтрации.

Коэффициент фильтрации К является эмпирический показателем и представляет собой линейное соотношение между скоростью фильтрации v (средняя скорость течения воды, отнесенная к поперечному сечению фильтрующего грунта) и гидравлическим градиентом. Его величина зависит от геометрии порового пространства, структуры грунта, его гранулометрического состава, пористости и давления на грунт, а также гидродинамических свойств фильтрующейся жидкости (вязкости, плотности).

Водопроницаемость песчаных и крупнообломочных грунтов существенным образом зависит от степени однородности их гранулометрического состава, наличия примеси глинистых частиц или органических веществ. Во всех случаях в неоднородных по составу грунтах размер пор значительно меньше, чем в однородных и, следовательно,ихводопроницаемость существенно ниже.

Размер пор грунта зависит не только от диаметра и формы частиц, но и от плотности их упаковке. Поэтому водопроницаемость рыхлых грунтов значительно выше, чем плотных. Влияние изменения пористости на водопроницаемость возрастает по мере увеличения дисперсности грунта. Величина водопроницаемости грунтов изменяется при колебаниях температуры. Это обусловлено тем, что вязкость воды существенно зависит от последней. Температурная поправка на изменение вязкости воды может существенно изменить коэффициент фильтрации (при снижении температуры от 20 до 1°С его величина уменьшается почти в два раза). Поэтому в практике лабораторных работ принято приводить результаты определения коэффициента фильтрации, полученных при разных температурах к стандартной температуре 10°С. Значение коэффициента фильтрации используется при оценке водопритока воды в котлованы, а также при расчете затухания осадок фундаментов во времени.

3 ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

1. Песчаный грунт.

2. Часы.

3. Набор сит.

4. Прибор КФ-01.

5. Сосуд с водой.

6. Установка АКM-2.

Прибор KФ-OI предназначен для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов с нарушенной и ненарушенной структурой при постоянном напорном градиенте, равном 1.

Прибор КФ-01 (рисунок 1) состоит из металлического цилиндра 5 с заостренными краями, на нижнюю часть которого надевается дно 6, а на верхнюю - муфта 2. В дно и муфту вставляются латунные сетки 7 и 4. Кроме того, в муфту вставляется стеклянный мерный баллон 1 со шкалой (мариоттов сосуд), который закругляется в ней с помощью пружин 3.

Рисунок 1 – Прибор КФ-01

4 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Заполнить фильтрационную трубку 5 грунтом. При испытании песчаных грунтов с нарушенной структурой рекомендуется коэффициент фильтрации определить дважды: при рыхлом их сложении и плотном. Поэтому наполнение фильтрационной трубки 5 для первого случая производят простым насыпанием грунта до необходимой высоты. Во втором случае наполнение цилиндра грунтом ведут слоями в 1-2 см с легкой трамбовкой. Если испытывают грунт с естественной структурой, то трубку вдавливают в монолит грунта.

При опытах с пылеватыми песками на дно трубки насыпают буферный слой песка из фракций 0,5-0,25 мм на высоту 2-3 мм.

2. После заполнения трубки песком ставить её в сосуд с водой, чтобы грунт через отверстия в дне пропитался водой, о чём судят по изменившемуся цвету грунта в верхнем торце.

3. После пропитывания грунта оставшуюся воду из сосуда слить. На грунт поместить латунную сетку 4 и надевать муфту 2.

4. Заполнить мерный баллон 1 водой, предварительно измерив ее температуру. Зажимают отверстие баллона большим пальцем и, быстро опрокинув, вставляют его в муфту 2 до соприкосновения с сеткой 4. В таком виде мерный баллон автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды в 1-2 мм. Как только этот уровень, вследствие просачивания воды через грунт, понизится, в мерный баллон прорываются пузырьки воздуха и вытесняют оттуда соответствующее количество воды. Этим достигается постоянство напорного градиента. Если в мерный баллон прорываются крупные пузырьки воздуха, то это свидетельствует о том, что горлышко его не касается латунной сетки и слишком высоко отстоит от поверхности грунта. В этом случае необходимо баллон опустить ниже и добиться, чтобы в него равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха.

5. Добившись равномерного появления мелких пузырьков воздуха в баллоне, определить время t, в течение которого профильтруется Q = 10 см³ воды. Определение произвести при двух различных положениях уровня воды в баллоне.

Опыты проводятся на двух образцах грунта, которые отличаются между собой размерами фракций песка.

6. Вылить воду мерного баллона. Данные занести в журнал (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты определения значений коэффициента фильтрации

Номер опыта	Размер фракции, мм	Температура воды T, °С	Время фильтрации t, с	Коэффициент K₁	Коэффи-циент фильтра-ции K_Ф, м/сут	Среднее значение v, м/сут

7. Определить коэффициент фильтрации

;

где t - время фильтрации, с.

Таблица 2 - Значения коэффициента r для прибора КФ-01

Номер	Т,°С	r
		345,6
		335,5
		325,9
		317,0
		308,6
		300,4
		292,9
		285,6
		278,6
		272,1
		265,8
		259,8
		254,1
		248,6
		243,4
		238,3
		235,5
		228,8
		224,3
		220,1
		215,9

Коэффициент К₁ можно определить по таблице 2 или по формуле

К = ,

где 864 - переводной коэффициентиз см/с в м/сут;

Q = 10 мл - расход воды;

F = 25 см² - площадь поперечного сечения цилиндра;

r - температурная поправка, r = 0,7—0,3 ;

T - температура фильтрующейся воды, °С.В качестве коэффициента фильтрации принять среднее арифметическое значение нескольких определений его для каждой фракции.

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ЗАКРЕПЛЁННЫХ ПЕСКОВ

Для повышения несущей способности грунтов основания производят закрепление песков путем нагнетания в массив закрепляющего раствора (силикат натрия, синтетические смолы в смеси с отвердителями и др.). Закрепление грунта сопровождается повышением несущей способности и уменьшением коэффициента фильтрации.

Для определения коэффициента фильтрации, закрепленного смолами песка, используется установка для исследования кернов АКМ-2. Определение К_Ф производится при давлениях:

а) давление обжатия образцов 5×10⁵ Па; перепад давления в торцах образцов Р_п = 3×10 Па = 300 кПа;

б) давление обжатия 8 кг/см² = 8×10⁵ Па = 800 кПа.

Перепад давления в торцах образцов Р_п = 500 кПа. После получения устойчивой фильтрации через испытуемый образец определяется количество воды, прошедшей через него в определенный интервал времени при установившемся перепаде давления. Вода, прошедшая через образец, собирается в мерный сосуд. Время фильтрации определяется по секундомеру, перепад давления по манометру на установке AKМ-2. Результаты замеров заносятся в таблицу 3.