Механика грунтов

Министерство образования Российской Федерации

___________________________________________________________

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

_____________________________________________________________

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по дисциплине

«Механика грунтов»

 

 

Новочеркасск 2003

УДК

 

Рецензент д-р техн. наук, проф. Ю.Н. Мурзенко

 

 

Составители: Осипова О.Н., Моргунов В.Н.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Механика грунтов»/ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. - 28 с.

 

Указания предназначены для студентов 4-го курса специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство», а также студентов 3-го курса специальности «Водоснабжение и водоотведение».

 

 

© Южно-Российский государственный

технический университет, 2003 г.

© Осипова О.Н., Моргунов В.Н., 2003 г.

Механика грунтов – научная дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд др. вопросов [1].

Механика грунтов опирается на результаты научных исследований в области механики сплошных сред (сопротивления материалов, теории упругости, теории пластичности), инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики и гидромеханики, а также др. инженерных дисциплин.

Основная задача механики грунтов - это оценка состояния в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов и массивов из них, прогноз происходящих в них процессов.

Значение предмета. Роль механики грунтов как инженерной науки огромна. Без знания основ механики грунтов не представляется возможным правильно запроектировать жилые здания, мелиоративные и дорожные, земляные и гидротехнические сооружения [2].

Механика грунтов является научно-теоретической базой инженерной дисциплины «Основания и фундаменты» и входит в цикл дисциплин для строительных специальностей, включающий курсы «Инженерная геология», «Механика грунтов», «Основания и фундаменты».

Цикл учебных дисциплин «Инженерная геология», «Механика грунтов», «Основания и фундаменты» на кафедре САПР ОСФ сформированы и поставлены доктором техн. наук, проф. Ю.Н. Мурзенко. Эти циклы в подготовке инженеров-строителей описаны в монографии [3].

Целью лабораторных работ по механике грунтов является изучение основных механических характеристик грунтов (сжимаемости, прочности).

Каждый студент должен выполнить 4 лабораторные работы: «Компрессионные испытания грунта при естественной влажности», «Компрессионные испытания грунта при замачивании», «Определение относительной просадочности», «Сопротивление грунтов сдвигу», которые должны быть оформлены в журнале для записи результатов испытаний, заполняемом студентами индивидуально.

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

 

Свойства, проявляющиеся в грунтах под влиянием приложения к ним внешних усилий и приводящие либо к изменению объема грунта, либо к нарушению его прочности и целостности в массиве, носят название механические свойства грунта. В соответствии с этим механические свойства подразделяются на деформативные, прочностные и реологические.

Прочностные свойства грунтов

Рис. 1. График деформации

При воздействии возрастающей нагрузки (рис. 1) на грунт вначале (от 0 до Р₁) происходит уплотнение грунта, в результате которого деформация носит линейный характер и осадка S₁ со временем затухает, затем при увеличении нагрузки от Р₁ до Р₂ в грунте, помимо деформаций уплотнения, начинаются деформации локальных сдвигов S₂, что приводит к нарушению линейного характера деформации – она продолжает равномерно нарастать – S₃. Таким образом, в начале II стадии возникают предпосылки нарушения прочности грунта. При дальнейшем возрастании нагрузки до Р₃ локальные сдвиги получают развитие во всей толще грунта основания, деформация нарастает без увеличения нагрузки и в конце этой фазы происходит выпор грунта из-под сооружения под действием сдвигающих сил и его разрушение.

Это явление характеризует прочностные свойства дисперсных грунтов, обусловлено сопротивлением грунтов сдвигу и выражается либо в потере прочности основания, либо в нарушении устойчивости откосов земляных сооружений.

Такое разделение деформаций достаточно условно, так как в любом массиве грунта под действием внешних сил возникают как сближение частиц, так и элементарные сдвиги. Однако при преобладании процесса уплотнения происходит деформация сжатия (осадка), а при повсеместном развитии сдвигов – потеря прочности и разрушение грунта.

Деформативные свойства грунтов

Деформативные свойства грунтов проявляются в изменении формы и объема при воздействии на грунт внешних усилий, не приводящих к разрушению.

Как рыхлые, так и связные, глинистые грунты при приложении нагрузок уплотняются, т.е. уменьшают свою пористость, что приводит к изменению их формы: уменьшению мощности слоя, понижению отметок поверхности нагружаемой площадки, уменьшению высоты сжимаемого образца в лабораторном приборе. Такое изменение называется деформацией.

Описываемые деформации происходят под действием напряжений, возникающих в грунте после приложения внешней нагрузки. Они тем значительнее, чем больше величина прилагаемой нагрузки и зависят от первоначального состояния грунта: его вида, структуры, пористости, состава, влажности.

В дисперсном грунте эти деформации имеют объемный характер, так как в первую очередь связаны с уменьшением объема грунта, находящегося в напряженном пространстве.

Деформации возникают, как правило, в результате воздействия на скелет нормальной составляющей нагрузки и характеризуют способность грунта к уплотнению, которая внешне выражается осадкой его под сооружением.

К деформативным характеристикам грунтов относят модуль деформации, коэффициент Пуассона и относительную просадочность.

Реологические свойства грунта

Под реологическими свойствами грунтов понимают закономерности протекания деформаций и изменения прочности грунта во времени. В дисперсных грунтах эти свойства проявляются в виде релаксации, ползучести и длительной прочности.

Под релаксацией понимают процесс перехода упругой деформации в необратимую пластическую, причем этот процесс протекает длительно и сопровождается постепенным уменьшением напряжений, вследствие раздробления части агрегатов, смещения частиц, выравнивания местных напряжений на контактах их друг с другом.

Ползучестью называют способность грунтов длительно деформироваться при постоянной нагрузке, меньшей чем разрушающая.

Длительной прочностью называется постепенно уменьшающаяся прочность грунта при длительном действии нагрузки.

Реологические свойства имеют большое значение при прогнозе развития осадки во времени и длительной прочности оснований, особенно для слабых грунтов.

Лабораторная работа № 1
компрессионные испытания грунта при естественной влажности

Цель работы: определение сжимаемости грунтов при действии равномерно распределенной нагрузки без возможности бокового расширения (одноосное сжатие) при естественной влажности грунта.

Оборудование и материалы: компрессионный прибор (одометр) КПр-1, прибор нагружения, набор гирь, индикаторы часового типа (мессуры), нож, бумажные фильтры, монолит грунта.

Пояснения к работе

Задача исследования деформативных свойств заключается в изучении характера сжимаемости, величины и скорости этого процесса, в получении объективных характеристик, необходимых для расчетов осадок оснований сооружений.

Одним из основных законов механики грунтов является закон сжимаемости грунтов при действии нагрузки. Расчетные характеристики деформации грунтов определяются путем компрессионных испытаний.

Сжимаемостью грунтов называют способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления за счет уменьшения пор без коренного изменения структуры грунта. Степень сжимаемости и явления, происходящие при сжатии, зависят от характера и структуры грунта.

Некоторый объем грунта, подвергающийся нормальному давлению (например, от сооружения), сжимается в направлении большего из действующих напряжений и расширяется в перпендикулярном к нему направлении. Боковому расширению препятствует сопротивление окружающего грунта, поэтому сжатие протекает при ограниченной возможности бокового расширения.

Вводя определенные ограничения, в грунтоведении рассматривают сжимаемость грунтов в условиях невозможности их бокового расширения, которое называется компрессией.

Кривую зависимости коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой, она характеризует сжимаемость грунта, наиболее распространенным видом является e=f(P). Эта кривая позволяет:
1) классифицировать грунты по величине сжимаемости; 2) устанавливать величину структурной прочности грунта; 3) определять модуль общей деформации грунта.

Компрессионные кривые получают экспериментально при испытании образцов грунта в компрессионных приборах.

Компрессионные свойства грунтов зависят:

ü от структуры грунта: раздельно-зернистые грунты сжимаются быстрее, а конечные осадки их при всех прочих равных условиях меньше, чем у глинистых грунтов (в последних процесс сжатия часто протекает очень медленно);

ü от минерального состава и содержания тонкодисперсной фракции: наличие в грунтах минералов группы монтмориллонита понижает сжимаемость за счет их набухания, а, наоборот, присутствие органических примесей и органоминеральных соединений резко увеличивает сжимаемость грунтов;

ü от типа и характера внутренних связей: чем больше плотность укладки частиц грунта, тем меньше его сжимаемость; чем выше степень влажности, тем дольше протекает процесс сжатия глинистых грунтов;

ü от темпа приложения нагрузок, который обусловливает полное или неполное завершение этапов сжатия.

Компрессионные испытания грунтов (ГОСТ 23908‑79) выполняют в компрессионных приборах различных моделей.

Изменения коэффициента пористости, соответствующие принятым ступеням нагрузки, определяют по формуле ,

где h – деформация образца при данной ступени нагрузки, мм;

d – поправка на деформацию прибора;

∆h – деформация, рассчитываемая по формуле ∆h=h-h₀,

здесь h₀ – приведенная высота образца, найденная по формуле

,

здесь е₀ – коэффициент пористости грунта в естественном состоянии;

h_K – высота кольца прибора.

Окончательная формула для расчета коэффициента пористости имеет вид .

Степень сжимаемости грунтов при невозможности их бокового расширения обычно выражают через коэффициент сжимаемости (коэффициент компрессии, уплотнения) а. Величина этого коэффициента может быть определена по графику e=f(P).

На небольшом отрезке компрессионную кривую (рис. 3) можно заменить прямой*. Тангенс угла наклона этой прямой, характеризующий компрессию грунта при данном интервале давлений, и является коэффициентом сжимаемости а. Он может быть вычислен по формуле

.

Чем больше а на данном участке исследуемой компрессионной кривой, тем, очевидно, более сильно сжимаем грунт при тех же значениях удельного давления.

Коэффициент сжимаемости является классификационной характеристикой, позволяющей разделить грунты по степени сжимаемости на четыре категории (табл. 1).

________________________________________________________________

*Устинова О.Е. Лабораторные работы в проблемном обучении: Дипломная работа/ НГТУ.- Новочеркасск, 1998.-86с.

Таблица 1

Грунт	Коэффициент сжимаемости а
Практически несжимаемый	Менее 0,001
Слабосжимаемый	0,001–0,01
Среднесжимаемый	0,01–0,1
Сильносжимаемый	Более 0,1

Расчетной характеристикой деформативных свойств дисперсных грунтов является модуль деформации, вычисляемый по формуле

,

где а – коэффициент сжимаемости для интервала соседних нагрузок;

b – безразмерный коэффициент, зависящий от относительной поперечной деформации грунта и принимаемый равным: для песков 0,8; для супесей 0,7; для суглинков 0,5; для глин 0,4.

 

Рис. 2. Геометрический смысл коэффициента сжимаемости

 

Модуль деформации вычисляют для определенного интервала нагрузок, в пределах которых сохраняется линейная зависимость между общей деформацией грунта и теми напряжениями, которые ее вызывают. Этот показатель применяется в практике для расчета деформаций оснований сооружений.

Если первоначально нагруженный грунт постепенно разгружать, то его объем и пористость будут увеличиваться. Это явление, обратное компрессии, носит название декомпрессии или набухания. Однако объем и пористость образца в процессе декомпрессии не достигают первоначальных размеров [4].

Методические указания

Грунт, заключенный в жесткую обойму, подвергаем воздействию равномерно распределенной нагрузки, прилагаемой ступенчато от 0 до 0,5 МПа. Для данного грунта на основании показаний мессура определяем коэффициенты пористости е, уплотнения а, модуль деформации Е и относительную просадочность δ. По результатам испытаний строим компрессионную кривую.

Испытания грунтов для определения компрессионной зависимости производим на специальных приборах, называемых компрессионными (одометрами).

Одометр – прибор, служащий для определения сжимаемости грунта. Деформации в одометре возможны только в вертикальном направлении, горизонтальные деформации отсутствуют. Вертикальное напряжение изменяется ступенями и является известным, боковые напряжения реактивные и остаются неизвестными. Величина деформаций зависит от усилия, приложенного на штамп. На рис. 3 показана схема одометра.

При расчете деформации образца необходимо учитывать деформацию прибора, для чего производится тарировка последнего. Действительная деформация образца равна разности между суммарной деформацией, зарегистрированной индикатором при опыте, и деформацией прибора, установленной при тарировке.

Тарировка прибора выполняется так же, как и компрессионные испытания: вместо грунта в кольцо закладывается специальный металлический диск и два бумажных фильтра, затем производится загрузка прибора ступенями и по индикатору определяются его деформации. По полученным данным строится график, который используется при расчете действительной деформации образца. Тарировка прибора производится один-два раза в год. Данные тарировки заносятся в паспорт прибора [5].

Рис. 3. Схема одометра

 

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности: 1. Монолит очищают от парафина и осторожно удаляют нарушенный верхний слой. … 2. На зачищенную поверхность грунта устанавливают режущую кромку кольца прибора. По наружному периметру кольца…

Цель работы: определение сжимаемости грунтов при действии равномерно распределенной нагрузки без возможности бокового расширения (одноосное сжатие) при замачивании образца грунта.

Оборудование и материалы: компрессионный прибор (одометр) КПр-1, прибор нагружения, набор гирь, индикаторы часового типа (мессуры), нож, бумажные фильтры, монолит грунта.

Методические указания

Работа выполняется в той же последовательности, как и лаб. работа № 1, разница состоит в том, что после того как кольцо с грунтом помещают в прибор для проведения испытаний, производят замачивание грунта. Образец замачивают грунтовой водой, после чего производят нагружение. Дальнейший ход работы аналогичен предыдущей.

По результатам работы вычисляют коэффициент пористости е, модуль деформации Е, коэффициент сжимаемости а, относительную просадочность δ_пр..

Данные заносят в журнал по форме табл. 2 , которая приведена в заполненном виде в качестве образца.

Таблица 2

Результаты компрессионных испытаний
при естественной влажности	при замачивании
Измеренные значения	Деформ. Δh	Измеренные значения	Деформ. Δh
Давление Р, МПа	Показ. мессуры	Давление Р, МПа	Показ. мессур
0,0			0,0
0,05	0,395	0,395	0,05	2/0,95	1,48
0,1	0,615	0,615	0,1	3,23/1,85	2,54
0,2	0,960	0,960	0,2	4,57/2,8	3,68
0,3	1,260	1,260	0,3	5,16/3,2	4,18
0,4	1,610	1,610	0,4	5,47/3,45	4,46
0,5	1,750	1,750	0,5	5,70/3,63	4,67
0,4	1,730	1,730	0,4	5,70/3,63	4,67
0,3	1,700	1,700	0,3	5,69/3,63	4,66
0,2	1,680	1,680	0,2	5,65/3,63	4,64
0,1	1,650	1,650	0,1	5,55/3,62	4,59
0,0	1,575	1,575	0,0	5,31/3,55	4,43

Лабораторная работа № 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПРОСАДОЧНОСТИ

Цель работы: определение расчетных деформативных характеристик грунта и его классификация по типу просадочности.

Оборудование и материалы: результаты выполнения лаб. работ № 1 и № 2.

Пояснения к работе

Под просадочностью понимают дополнительную осадку грунта, возникающую в результате его замачивания в природно-напряженном состоянии под действием собственного веса или совместного давления от собственного веса и внешней нагрузки. Просадочность сопровождается коренным изменением структуры грунта.

Просадочность — явление неблагоприятное, так как в результате просадок происходит опускание поверхности земли на величину до нескольких десятков сантиметров. Это, в свою очередь, приводит к неравномерным деформациям сооружений, для которых просадочный грунт служит основанием.

Относительной просадочностью d_пр называют отношение дополнительной осадки (просадки) образца или слоя грунта после замачивания к первоначальной высоте образца или мощности слоя того же грунта в его природно-напряженном состоянии: ,

где h' – высота образца природной влажности при заданном давлении;

h_пр – высота образца после просадки в результате замачивания;

h₀ – высота образца грунта с природной влажностью при природном давлении на глубине отбора образца.

Относительная просадочность определяется в долях единицы.

Таким образом, к просадочным грунтам относятся грунты, у которых величина относительной просадочности d_пр³0,01 по СНиП [6].

Для определения просадочности применяется метод двух кривых или метод одной кривой [7].

По типу грунтовых условий просадочные грунты разделяются на:

грунты I типа просадочности, когда просадка происходит в основном в пределах деформируемой зоны основания от давления фундамента или другого вида внешней нагрузки, а просадка от собственного веса грунта отсутствует или не превышает 5 см;

грунты II типа просадочности, когда просадка возникает от собственного веса грунта просадочной толщи (в основном в нижней ее части) и ее величина превышает 5 см.

Просадку рассчитывают исходя из величины относительной просадочности, числа слоев и мощности каждого просадочного слоя грунта.

В зависимости от типа грунтовых условий выбирают мероприятия по предупреждению возможных просадочных деформаций или по устранению последствий, вызванных просадкой. Эти мероприятия могут быть трех видов:

водозащитные, например, различного вида "одежды" гидротехнических сооружений, строящихся на просадочных грунтах;

конструктивные;

мероприятия по улучшению физико-технических свойств просадочных грунтов (силикатизация, термическое закрепление, водозащитные мероприятия, уплотнение и др.).

 

Методические указания

Метод двух кривых помимо определения относительной просадочности позволяет рассчитать начальное просадочное давление Рпр, принимая за его величину… Метод двух кривых обеспечивает возможность получения значений относительной…  

Порядок выполнения работы

1. Из одного монолита, как можно ближе друг к другу, отбирают в предварительно взвешенные кольца два образца грунта. Кольца с грунтом взвешивают и… 2. Проводят компрессионные испытания обоих образцов. 3. После достижения стабилизации осадки образца, испытываемого при естественной влажности, на конечной ступени…

Испытание грунта по методу одной кривой

2. Ступенями, как и в лаб. работе № 1, прилагают нагрузку, пока давление не достигнет заданного. 3. После стабилизации осадки в прибор подают воду снизу вверх и следят за… 4. Разбирают и очищают прибор, берут при необходимости пробы грунта из кольца.

Цель работы: определение прочностных характеристик грунта.

Оборудование и материалы: прибор для испытания грунтов на сдвиг ПСГ, мессуры (индикаторы часового типа), набор гирь, нож, монолит грунта.

Пояснения к работе

Изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных инженерных сооружений, имеет большое значение для… Определение сопротивления грунтов срезу производится методами: консолидированного среза, неконсолидированного среза.

Методические указания

Грунт, заключенный в жесткую обойму, подвергается воздействию равномерно распределенной нагрузки q (рис. 7). К верхней части обоймы прилагается…     Рис. 7. Схема прибора

Методические указания к лабораторным работам

  Составители: Оксана Николаевна Осипова, Владимир Николаевич Моргунов