Компрессионные испытания грунтов
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ для студентов,
обучающихся по направлению 653500 – Строительство
3-е издание, переработанное
Белгород 2006
УДК 624.121 (07)
ББК 38.58Я7
М55
Составители Черныш А.С., к.т.н., доцент
Калачук Т.Г., к.т.н., доцент
Рецензент Кафтаева М.В., к.т.н., доцент
Механика грунтов: Методические указания. – 3-е изд.,
М55 перераб. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006 – 42 с.
В издании изложены методики выполнения семи лабораторных работ по курсу «Механика грунтов». Приведены таблицы СНиП 2.02.01 для определения механических характеристик грунтов и ГОСТ 25100-95 для определения разновидностей дисперсных грунтов.
Предназначены для студентов специальностей 290300, 290500, 290600, 290700.
УДК 624.121(07)
ББК 38.58Я7
Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова, 2006
Лабораторная работа №1
Определение значений прочностных и деформационных характеристик грунтов по таблицам СНиП 2.02.01-95
Цель работы: определение физических характеристик грунтов и нормативных значений угла внутреннего трения j, удельного сцепления С, модуля деформации Е грунтов.
Содержание работы
Физические свойства грунтов
Основные:
1. Удельный вес природного грунта gравен отношению массы грунта к занимаемому этим грунтам объему умноженному на ускорение свободного падения g
g = r g .(1)
Если обозначить V1 — объем твердых частиц; V2— объем пустот (пор), g1 — масса твердых частиц; g2 — масса воды в порах грунта то,
r = (g1+g2)/(V1+V2) . (2)
2. Удельный вес частиц грунта gs — показатель минералогического состава
gs= (g1/V1)×g . (3)
3. Влажность грунтаW— отношение массы воды к массе высушенных частиц (твердых частиц)
W = g2/g1 .(4)
Дополнительные:
1. Граница текучести Wl соответствует влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние. Эту влажность определяют стандартным испытанием при котором конус с углом при вершине 300 и массой 76 г. погружается в грунт на 10 мм.
2. Влажность на границе раскатывания Wр соответствует влажности, при которой грунт теряет свою пластичность. Определяют раскатыванием жгута из грунта по бумаге.
Производные:
1. Удельный вес сухого грунта gd — отношение массы твердых частиц ко всему объему умноженному на ускорение свободного падения q
gd = [g1/V1+ V2]·q .(5)
2. Коэффициент пористости е — отношение объема пор грунта nк объему его скелета m
e = n/m (6)
или
e = (ρs – ρd)/ ρd . (7)
По коэффициенту пористости можно определить степень уплотненности грунтов. Если e < 1, то грунт достаточно плотный; e > 1 - то грунт рыхлого сложения
3. Удельный вес сухого грунта gd
gd = ρ/[(1+W)] q . (8)
4. Удельный вес грунта взвешенного в воде gsв
При распределения грунта ниже уровня грунтовых вод скелет грунта будет испытывать взвешивающее действие воды, что необходимо учитывать при расчетах напряженного состояния грунтов.
gсв = (ρs – ρw) × q/(1+е) . (9)
Классификационные:
1. Индекс пластичности Iр (число пластичности) — показатель содержания глинистых частиц в грунте.
Iр = WL - Wр .(10)
Классификация глинистых грунтов в зависимости от числа пластичности приведена в таблице 1.
Таблица 1 — Классификация глинистых грунтов по числу пластичности
| Виды глинистых грунтов | Число пластичностиIр |
| Супесь | 0,01≤ Iр ≤0,07 |
| Суглинок | 0,07≤ Iр ≤0,17 |
| Глина | 0,17< Iр |
IL = (W - Wр)/( WL - Wр) .(11)
Уплотненность глинистых грунтов определяют консистенцией, под которой понимаем густоту, вязкость глинистых грунтов (плотность сложения), способность грунтов сопротивляться пластическому изменению формы. Консистенция зависит от количественного соотношения твердых частиц и воды в единице объема (таблица 2).
Таблица 2 —Классификация глинистых грунтов по индексу текучести
| Виды глинистых грунтов | Показатель консистенцииIL |
| СУПЕСИ | |
| Твердые | IL< 0 |
| Пластичные | 0 ≤ IL ≤1 |
| Текучие | 1 < IL |
| СУГЛИНКИ И ГЛИНЫ | |
| Твердые | IL< 0 |
| Полутвердые | 0 I≤ IL≤ 0,25 |
| Тугопластичные | 0,25 < IL≤ 0,5 |
| Мягкопластичные | 0,5 < IL≤ 0,75 |
| Текучепластичные | 0,75 < IL≤ 1 |
| Текучие | 1 < IL |
3. Коэффициент водонасыщения (степень влажности) Sr — это отношение природной влажности грунта к его полной влагоемкости
Sr = 
.(12)
Порядок выполнения работы
Исходные данные: геологическая колонка, таблица основных и дополнительных характеристик и гранулометрического состава грунтов. Данные приведены в таблицах 3 —6.
Геологический разрез с основными физическими характеристиками всех слоев грунта студентам предлагается составить самостоятельно в соответствии с индивидуальным шифром. Шифр студент определяет по четырем последним цифрам номера зачетной книжки. Например, номер зачетной книжки 360729, шифр 0729. По последней цифре шифра из таблицы 3 выбрать соответствующую строку (для примера — строка 9, супесь серовато-желтая). По предпоследней цифре выбрать соответствующую строку из таблицы 4 (для примера — строка 2, суглинок темно-бурый), по второй цифре — из таблицы 5 (для примера — строка 7, глина светло-бурая), по первой цифре — из таблицы 6 (для примера — строка 0, глина коричневая). По данным взятым из таблиц сформировать геологический разрез.
Рекомендации к выполнению задания
По числовым данным, принятым для соответствующих слоев, вычислить следующие производные характеристики:
удельный вес грунта в естественном состоянии - g;
плотность в сухом состоянии - rd ;
коэффициент пористости - е;
удельный вес с учетом взвешивающего действия воды - g sb;
число пластичности - I P;
показатель текучести - I L;
степень влажности - S r .
Определение разновидностей грунтов производить по приложениям А, Б. По результатам работы составить сводную таблицу физико-механических характеристик (таблица 7). Механические характеристики принять по таблицам 3 – 6.
Таблица 3 — Данные, принимаемые по последней цифре шифра
| Цифра шифра | Условное обозначение грунта | Описание грунта | Мощность слоя, м | Физико-механические характеристики грунтов | |||||||||||||||||
| Гранулометрический состав в % (по массе) при диаметре частиц в мм | rs т/м3 | r т/м3 | W | WL | Wp | m0 | |||||||||||||||
| 2,0 - 0,5 | 0,5 - 0,25 | 0,25 - 0,10 | 0,10 - 0,005 | <0,005 | |||||||||||||||||
| Суглинок желто-бурый | 3,3 | 10,0 | 5,0 | 16,0 | 20,0 | 49,0 | 2,72 | 1,69 | 0,19 | 0,30 | 0,19 | |||||||||
| Глина бурая | 2,0 | 20,0 | 1,0 | 15,0 | 47,0 | 17,0 | 2,72 | 1,76 | 0,26 | 0,42 | 0,23 | |||||||||
| Супесь зелено-бурая | 3,5 | 1,0 | 6,0 | 10,0 | 64,0 | 19,0 | 2,74 | 1,84 | 0,20 | 0,28 | 0,12 | ||||||||||
   
| Песок серо-бурый | 3,9 | 19,0 | 23,0 | 29,5 | 18,5 | 10,0 | 2,67 | 1,89 | 0,3 | |||||||||||
| Глина светло-бурая | 2,0 | 10,0 | 1,0 | 27,0 | 41,0 | 21,0 | 2,65 | 1,91 | 0,40 | 0,44 | 0,24 | ||||||||||
| Песок буро-серый | 2,2 | 22,0 | 25,0 | 20,0 | 32,0 | 1,0 | 2,66 | 1,83 | 0,15 | |||||||||||
| Супесь желто-бурая | 2,5 | 3,0 | 11,0 | 36,5 | 44,0 | 5,5 | 2,68 | 1,89 | 0,15 | 0,19 | 0,12 | |||||||||
| Песок серый | 2,2 | 2,8 | 9,5 | 76,9 | 10,6 | 0,2 | 2,66 | 2,0 | 0,25 | |||||||||||
| Глина коричневая | 4,0 | 0,4 | 0,2 | 0,6 | 24,4 | 74,6 | 2,74 | 2,0 | 0,27 | 0,41 | 0,23 | |||||||||
| Супесь серовато-желтая | 3,9 | 0,1 | 2,1 | 6,6 | 81,4 | 9,8 | 2,67 | 1,97 | 0,16 | 0,20 | 0,13 | |||||||||
Таблица 4 — Данные, принимаемые по предпоследней цифре шифра
| Суглинок светло-желтый | 4,1 | 0,5 | 1,5 | 7,0 | 80,0 | 11,0 | 2,66 | 1,73 | 0,23 | 0,28 | 0,18 | ||
| Глина красно-бурая | 6,0 | 0,5 | 0,5 | 4,0 | 64,0 | 31,0 | 2,75 | 2,0 | 0,27 | 0,40 | 0,20 | ||
 2
| Суглинок темно-бурый | 3,5 | 1,0 | 2,0 | 51,0 | 24,0 | 12,0 | 2,71 | 1,98 | 0,27 | 0,24 | 0,14 | ||
| Суглинок темно-бурый | 3,5 | 13,0 | 14,0 | 17,0 | 31,0 | 25,0 | 2,69 | 1,98 | 0,21 | 0,24 | 0,14 | ||
| Суглинок светло-бурый | 1,7 | 2,5 | 5,0 | 20,0 | 47,0 | 25,5 | 2,71 | 1,82 | 0,22 | 0,32 | 0,18 | ||
| Суглинок желто-бурый | 2,8 | 10,0 | 10,0 | 15,0 | 49,0 | 20,0 | 2,70 | 1,87 | 0,26 | 0,32 | 0,19 | ||
| Супесь зелено-бурая | 2,5 | 14,0 | 20,0 | 30,0 | 29,0 | 7,0 | 2,69 | 2,10 | 0,19 | 0,21 | 0,15 | ||
  
| Песок зелено-бурый | 2,6 | 17,0 | 23,0 | 40,0 | 19,0 | 1,0 | 2,66 | 1,98 | 0,26 | ||||
| Глина бурая | 5,4 | 1,0 | 3,0 | 9,0 | 56,0 | 31,0 | 2,74 | 2,00 | 0,27 | 0,43 | 0,23 | ||
 
| Песок желтый | 3,2 | 18,2 | 20,0 | 45,0 | 16,2 | 0,6 | 2,66 | 1,7 | 0,12 |
Таблица 5 —Данные, принимаемые по второй цифре шифра
| Суглинок красно-бурый | 3,8 | 0,8 | 1,2 | 13,0 | 67,0 | 18,0 | 2,71 | 1,98 | 0,27 | 0,32 | 0,19 | ||
| Песок желтый | 2,8 | 27,0 | 29,0 | 39,0 | 4,8 | 0,2 | 2,66 | 2,00 | 0,25 | ||||
| Глина темно-серая | 5,2 | 1,6 | 1,5 | 2,8 | 52,0 | 42,1 | 2,73 | 1,92 | 0,32 | 0,47 | 0,26 | ||
| Суглинок желто-бурый | 3,3 | 0,1 | 0,9 | 20,0 | 61,0 | 18,0 | 2,70 | 1,89 | 0,18 | 0,30 | 0,18 | ||
| Глина бурая | 2,0 | 0,5 | 0,5 | 2,0 | 55,0 | 42,0 | 2,74 | 1,99 | 0,39 | 0,53 | 0,30 | ||
| Супесь зелено-бурая | 3,4 | 1,0 | 8,0 | 8,0 | 75,0 | 8,0 | 2,67 | 1,83 | 0,15 | 0,16 | 0,10 | ||
| Песок серо-бурый | 4,0 | 27,5 | 28,5 | 10,0 | 8,0 | 2,66 | 1,87 | 0,29 | |||||
| Глина светло-бурая | 2,0 | 1,0 | 1,0 | 2,0 | 54,0 | 42,0 | 2,74 | 1,99 | 0,35 | 0,44 | 0,24 | ||
| Песок желтый | 2,4 | 20,0 | 24,0 | 26,0 | 18,0 | 12,0 | 2,66 | 1,76 | 0,12 | ||||
| Супесь желтая | 2,6 | 6,0 | 6,0 | 18,0 | 64,0 | 6,0 | 2,67 | 1,81 | 0,17 | 0,21 | 0,15 |
Таблица 6 — Данные, принимаемые по первой цифре шифра
| Глина коричневая | 3,8 | 3,0 | 2,0 | 5,0 | 53,0 | 37,0 | 2,74 | 1,98 | 0,34 | 0,44 | 0,24 | ||
| Песок желтый | 4,6 | 25,5 | 24,0 | 12,5 | 10,0 | 2,65 | 1,89 | 0,30 | |||||
| Суглинок светло-бурый | 1,7 | 2,5 | 5,0 | 20,0 | 47,0 | 25,5 | 2,71 | 1,75 | 0,26 | 0,32 | 0,18 | ||
| Суглинок желто-бурый | 2,8 | 10,0 | 10,0 | 15,0 | 45,0 | 20,0 | 2,70 | 1,81 | 0,28 | 0,32 | 0,19 | ||
| Супесь зелено-бурая | 2,5 | 14,0 | 20,0 | 30,0 | 29,0 | 7,0 | 2,69 | 1,87 | 0,20 | 0,21 | 0,15 | ||
| Песок зелено-бурый | 2,6 | 46,0 | 42,0 | 6,0 | 4,0 | 2,0 | 2,66 | 1,79 | 0,20 | ||||
| Глина бурая | 5,4 | 1,0 | 3,0 | 9,0 | 56,0 | 31,0 | 2,74 | 1,98 | 0,34 | 0,43 | 0,23 | ||
|
| Песок серовато-желтый | 3,2 | 4,0 | 4,0 | 45,0 | 43,0 | 4,0 | 2,69 | 1,79 | 0,20 | ||||
| Песок серовато-желтый | 3,2 | 5,0 | 6,0 | 50,0 | 38,0 | 1,0 | 2,66 | 1,90 | 0,25 | ||||
| Глина коричнево-серая | 4,0 | 0,5 | 0,5 | 5,0 | 62,0 | 32,0 | 2,75 | 2,00 | 0,27 | 0,40 | 0,20 |
Таблица 7 — Сводная таблица нормативных характеристик грунтов (пример)
| Номер инженерно-геологического элемента | Номер образца грунта | Номер скважины | Глубина, м | Наименование грунта (по ГОСТ 25100-95) | Физические | Механические | |||||||||||||
| Основные | Дополнительные | Производные и классификационные | Деформационные | Прочно-стные | R0, кПа | ||||||||||||||
| rs , т/м3 | gII , кН/м3 | W | Wl | Wp | rd , т/м3 | e | gsb , кН/м3 | Ip | IL | Sr | E, кПа | jII, град | СII, кПа | ||||||
| 0,3 | Растительный | 14,3 | |||||||||||||||||
| 2,2 | Суглинок полутвердый | 2,68 | 18,9 | 0,20 | 0,31 | 0,18 | 1,57 | 0,71 | 9,8 | 0,13 | 0,11 | 0,75 | -- | ||||||
| 4,6 | Песок мелкий, средней плотности влажный | 2,65 | 18,4 | 0,16 | -- | -- | 1,58 | 0,68 | 9,8 | -- | -- | 0,70 | -- | ||||||
| 6,2 | Глина твердая | 2,74 | 19,5 | 0,21 | 0,49 | 0,24 | 1,61 | 0,87 | -- | 0,25 | 0,23 | 0,77 |
Примечание: Значения в таблице приведены ориентировочно
Лабораторная работа №2
Компрессионные испытания грунтов
Цель работы: определение характеристик сжимаемости грунтов.
Содержание работы
Компрессией называютсжатие образца грунтавертикально приложенным равномерно распределенным давлением в условиях,исключающих возможность боковых деформации.
Способом компрессии в одометре (рисунок 1) определяют коэффициент уплотнения (сжимаемости) грунта.
Рисунок 1 - Схема одометра: 1 — образец грунта, 2 - кольцо; 3 - фильтровальная бумага; 4 - штамп с отверстиями; 5 - поддон; 6 — жесткая обойма, 7 -индикаторы часового типа; 8 - центрирующий шарик
При испытании образец грунта находится в цилиндрическом кольце диаметром D. высотой Н. Сжатие происходит при свободном удалении воды из пор грунта через металлические штампы с отверстиями. В качестве критерия стабилизации осадки между моментами приложения нагрузки принят интервал времени, равный 4 минутам.
При выполнении учебной лабораторной работы величины давления можно принять следующие, кПа:
s0 = 0; s1 = 50; s2 = 100; s3 = 150.
После приложения ступени давления снимают показания индикаторов с интервалом, равным 1 мин., до выполнения условного критерия стабилизации осадки. Затем прикладывают следующую ступень давления и т.д. При проведении компрессионных испытаний грунта на приборах конструкции Гидропроекта исходные данные будут следующими:
высота образца грунта Н, мм ........................................... 25
площадь образца А, см2 ..................................................... 60
диаметр D, мм ....................................................................... 87,4
отношение плеч рычага, передающего
нагрузку п............................................................................... 1:10
Перед началом опыта должен быть назначен начальный коэффициент пористости грунта I0 соответствующий давлению на образец s0 = 0.
Порядок выполнения работы
1. Снимают подвеску с нагрузочного рычага прибора и одометр со станины и разбирают его.
2. Образец грунта отбирают режущим кольцом одометра. Для этого кольцо ставят острым краем на монолит грунта. Грунт вокруг кольца удаляют острым ножом, а кольцо легким нажимом постепенно вдавливают в грунт. После погружения кольца заключенный в нем грунт отделяют от монолита и зачитают вровень с краями кольца. С торцов кольца на поверхность грунта накладывают кружки фильтровальной бумаги.
3. Собирают одометр и устанавливают его на станину прибора. Собирают систему нагружения.
4. Устанавливают индикаторы. Поворотом шкалы индикатора фиксируют начальный нулевой отсчет.
5. Прикладывают первую ступень давления и пускают в ход секундомер (взять отсчет времени по часам).
6. Записывают в журнал испытаний (табл. 8) показания индикаторов с интервалом через минуту от момента приложения нагрузки до момента выполнения условного критерия стабилизации осадки.
7. Прикладывают следующую ступень давления и записывают показания индикаторов часового типа в журнал испытаний нарастающим итогом (от нуля, установленного в начале опыта) через те же промежутки времени с момента увеличения нагрузки и т.д.
8. По величинам конечных деформаций (после сжатия каждой ступенью давления) вычисляют соответствующие значения коэффициента пористости
De = e (1+e0) и e = e0 - De
Таблица 8 -Журнал испытаний (пример заполнения)
| Масса гирь на подвеске, т, кг | Главное вертикальное напряжение, s, кПА | Время наблюдения, t, мин. | Показания индикаторов S, мм | Осадка | |||
| при нагрузке | при разгрузке | абсолютная, S, мм | относительная e | ||||
| при нагрузке | при разгрузке | ||||||
| 0,0 | 0,00 | 0,25 | 0,00 | 0,00 | 0,0100 | ||
| 0,18 | 0,26 | 0,18 | 0,0072 | 0,0101 | |||
| 0,20 | 0,20 | 0,008 | |||||
| 0,21 | 0,21 | 0,0084 | |||||
| 0,21 | 0,21 | 0,0084 | |||||
| 0,25 | 0,28 | 0,25 | 0,0100 | 0,0112 | |||
| 0,26 | 0,26 | 0,0104 | |||||
| 0,27 | 0,27 | 0,0108 | |||||
| 0,27 | 0,27 | 0,0108 | |||||
| 0,30 | 0,32 | 0,30 | 0,0120 | 0,0128 | |||
| 0,31 | 0,31 | 0,0124 | |||||
| 0,32 | 0,32 | 0,0128 | |||||
| 0,32 | 0,32 | 0,0128 |
Примечания:
1. Н = 25 мм; А = 60см2; п = 1:10 = 0,1
2. 
3. e = S/H
Таблица 9 - Журнал вычислений (пример)
| Главное вертикальное напряжение s, кПа | Стабилизированная осадка | Коэффициент пористости | ||
| абсолютная S, мм | относительная e | приращение по сравнению с начальным De | значение e | |
| 0,00 | 0,0000 | 0,000 | 0,960 | |
| 0,21 | 0,0084 | 0,016 | 0,944 | |
| 0,27 | 0,0108 | 0,021 | 0,939 | |
| 0,32 | 0,0128 | 0,0025 | 0,935 |
По данным табл. 9 строят компрессионные кривые (рис.2).
Рисунок 2 - Графики компрессионных кривых: 1 - кривая уплотнения; 2 - кривая разуплотнения
Характеристика деформируемости грунта (коэффициент уплотнения) в одном из интервалов изменения давления (по заданию преподавателя)
(13)
где s1 и s2 - границы интервала изменения главного вертикального напряжения, причем s2 > s1;
е1; и е2 - соответствующие значения коэффициентов пористости. Используя значение коэффициента уплотнения (сжимаемости) грунтов т0 вычисляют коэффициент относительного уплотнения mv и модуль деформации Еоеd
mv = m0/(l + e0); (14)
Eoed = b/mv (15)
где b -коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в приборе и назначаемый в зависимости oт коэффициента Пуассона m(табл. 10).
Таблица 10 - Среднее значение коэффициента Пуассонаmи коэффициентаb
| Грунт | m | b = 1- 2n2/(1 - n) |
| песок и супесь | 0,30 | 0,74 |
| суглинок | 0,35 | 0,62 |
| глина | 0,42 | 0,40 |
Лабораторная работа №3