ФАКУЛЬТЕТ ТРАНСПОРТА И СТРОИТЕЛЬСТВА

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ФАКУЛЬТЕТ ТРАНСПОРТА И СТРОИТЕЛЬСТВА

Кафедра «Городское строительство и хозяйство»

 

С.А. Воробьев, П.А. Гвозков

 

 

Инженерная геология

Методические указания

по выполнению лабораторных работ

 

Дисциплина – «Инженерная геология»

Специальности: 270100«Строительство»;

270102 «Промышленное и гражданское строительство»;

270105 «Городское строительство и хозяйство»;

270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».

 

Печатается по решению редакционно- издательского совета ОрелГТУ

 

 

Орел 2007

  Авторы: к.с.-х.н., доцент кафедры ГСиХ С.А. Воробьев ассистент П.А. Гвозков

Содержание работы

Плотность (объемный вес) грунта (r)– отношение его массы к занимаемому объему. Естественная плотность изменяется в пределах 1,4…2,2 г/см³ и зависит от минералогического состава, пористости и влажности грунта.

Влажность (W) – отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухих твердых частиц. Величина влажности влияет на прочность грунтов. Естественная влажность является показателем, необходимым для вычисления пористости, коэффициента водонасыщения и т.д.

Определение плотности грунта методом режущего кольца

Оборудование, материалы: монолит грунта; пробоотборник с комплектом режущих колец; штангенциркуль; нож с прямым лезвием; технический вазелин; весы… Порядок выполнения работы 1. Измеряют штангенциркулем внутренний диаметр d и высоту режущего кольца h. Определяют его массу m0. Вычисляют объем…

Определение весовой влажности грунта

Материалы и оборудование: бюксы; весы лабораторные; сушильный шкаф. Порядок выполнения работы 1.Взвешивают пустой бюкс (m1).

Определение границы текучести

Порядок выполнения работы 1.Грунтовое тесто с помощью шпателя переносят (вмазывают) в стандартный…

Определение границы раскатывания

Порядок выполнения работы 1.В чашку с грунтовым тестом добавляют немного сухого грунта и массу хорошо… 2.Из полученного теста отбирают кусок объемом 2…3 см3 и раскатывают на пластиковом листе до шнура диаметром 3 мм.…

.

2.Вычисляют показатель консистенции I_L (значение влажности W_L берут из работы №1):

.

3.По ГОСТ 25100 – 95 определяют разновидности глинистого грунта, например, суглинок тугопластичный.

 

Лабораторная работа № 3

Определение гранулометрического состава
песчаного грунта ситовым методом

 

Цель работы: Определение гранулометрического состава песчаного грунта ситовым методом.

Содержание работы

Гранулометрический состав грунта – это весовое содержание в нем зерен различной крупности, выраженное в процентах по отношению к массе сухой пробы, взятой для анализа.

Материалы и оборудование: песчаный грунт массой более 100 г; набор круглых сит (с отверстием 2,00; 0,50; 0,25; 0,10 мм); лабораторные весы; листы плотной бумаги; ложка.

Порядок выполнения работы

1.Взвешивают на весах 100 г песка.

2.Собирают сита в колонку, размещая их от поддона в порядке увеличения отверстий. Высыпают навеску грунта в верхнее сито и закрывают его.

3.Пробу грунта просеивают ручным или механизированным способом. Полноту просеивания проверяют встряхиванием каждого сита над листом бумаги, пока зерна не перестанут падать через сито. Выпавшие зерна ссыпают на следующее сито с меньшими отверстиями.

4.Фракции, оставшиеся на ситах, последовательно взвешивают с точностью до 0,01 г. Расчет процентного содержания фракций х производится по формуле:

,

где a – масса фракций, г
a₀ – полная навеска, г.

Результаты вычисления выражают с точностью до 0,1% и заносят в
таблица 4. Допустимая потеря должна составить не более 0,5%, при большем расхождении анализ повторяют.

Таблица 4 – Журнал гранулометрического анализа

Масса грунта до опыта	Весовое и процентное содержание фракций, мм	Масса грунта после опыта
более 2,0	2,00 –0,50	0,50 –0,25	0,25 –0,10	менее 0,1
г	%	г	%	г	%	г	%	г	%	г	%	г	%
100,0	100,0	12,0	12,0	6,1	6,1	19,1	19,1	33,7	33,7	29,0	29,0	99,9	99,9

Обработка результатов анализа

1.Для построения кривой гранулометрического состава необходимо последовательно просуммировать содержание фракций, начиная с наиболее мелкой. Проводится это в табличной форме (таблица 5).

Таблица 5 – Данные гранулометрического анализа

Отдельные фракции	Совокупность фракций
Диаметр фракций, мм	Содержание, %	Диаметр фракций, мм	Содержание, %
менее 0,10	29,0	0,10	29,0
0,10 – 0,25	33,7	0,25	62,7
0,25 – 0,50	19,1	0,50	81,8
0,50 – 2,00	6,1	2,00	87,9
более 2,00	12,0	более 2,00	99,9

 

2.По данным таблица 5 строят график. По оси абсцисс откладывают размеры фракций, а по оси ординат – суммарное содержание фракций (рисунок 2). Наиболее удобным масштабом для графика является следующий: по оси абсцисс 1 см соответствует диаметру отверстий 0,1 мм, а по оси ординат 1 см – 10% суммарного содержания частиц.

3.По полученной кривой определяют коэффициент неоднородности гранулометрического состава. Для этого по графику находят размеры частиц, соответствующих ординате 10% (d₁₀) и 60% (d₆₀). d₁₀ представляет собой диаметр, мельче которого в грунте содержится 10% частиц; d₆₀ – диаметр, меньше которого в грунте содержися 60% частиц.

 

Рисунок 2. Суммарная кривая гранулометрического состава песчаного грунта

 

Коэффициент неоднородности С_u определяют по формуле:

.

Чем больше С_u, тем более разнородным по гранулометрическому составу является грунт. При С_u£3 грунт считается однородным, а при С_u>3 – неоднородным.

4.По ГОСТ 25100 – 95 определяют разновидность песчаного грунта.

В зависимости от гранулометрического состава пески подразделяются на следующие разновидности:

· песок гравелистый – при массе частиц крупнее 2,00 мм более 25%;

· песок крупный – при массе частиц крупнее 0,50 мм более 50%;

· песок средней крупности – при массе частиц крупнее 0,25 мм более 50%;

· песок мелкий – при массе частиц крупнее 0,10 мм более 75%;

· песок пылеватый – при массе частиц крупнее 0,10 мм 75% и менее.

В нашем примере масса частиц крупнее 2,00 мм составляет 12%, крупнее 0,25 мм – 37,2%, крупнее 0,10 мм – 80,9%. Следовательно, разновидность песка – пылеватый, неоднородный.

 

 

|Лабораторная работа № 4

Определение пористости песков методом насыщения

 

Цель работы: Определение пористости песков методом насыщения.

Содержание работы

Под пористостью грунтов понимают наличие в них мелких пустот (пор). Количественно пористость обычно выражают процентным отношением объема пор (V_П) к общему объему грунта (V). Эту величину называют пористостью и обозначают через n. Кроме того, пористость грунта характеризуется отношением объема пор (V_П) к объему твердых частиц (V_S) Эта величина называется коэффициентом пористости (e). Для песков величина n может быть определена опытным путем, а для глинистых только расчетом.

Оборудование и материалы: сухой чистый стаканчик, вода, бюретка, песок, линейка.

Порядок выполнения работы

1.Сухой чистый стаканчик объемом около 50 см³ наполняют исследуемым песком. Наполнение производить небольшими порциями с утрамбовкой. После наполнения подравнивают поверхность песка линейкой вровень с краями стаканчика.

2.При помощи бюретки насыпают песок в стаканчик с водой до появления тонкого слоя воды на поверхности песка. Количество воды, израсходованной на насыщение песка, будет соответствовать объему его пор (V_П).

3.Удаляют песок из стаканчика и при помощи той же бюретки измеряют объем пустого стаканчика, что будет соответствовать объему всей породы (V).

4.Рассчитывают пористость по формуле:

.

Данные определения заносят в журнал (таблица 6).

Таблица 6 – Журнал определений пористости песков

№ опыта	Объем воды в порах VП, см3	Объем стаканчика, см3	n, %
	15,50		31,0
	15,00		31,2

5.Рассчитывают коэффициент пористости e:

.

Пористость и коэффициент пористости характеризуют структуру грунта. Пористость не является расчетной величиной, но ее используют как важную вспомогательную характеристику в механике грунтов.

 

Лабораторная работа № 5

Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта

 

Цель работы: Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта

Содержание работы

Фильтрация – движение воды в грунтах при условии полного заполнения пор. Коэффициент фильтрации представляет собой

скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице. Он выражается в см/сут и используется при определении притока воды в строительные котлованы, проектировании дренажных сооружений и т.д.

Материалы и оборудование: прибор КФ–00М, песок, емкость с водой, градусник, секундомер.

Рисунок 3. Схема прибора КФ–00М:
1 – фильтрационная трубка с образцом грунта;
2 – планка со шкалой; 3 – корпус; 4 – подъемный винт;
5 – мерный стеклянный баллон с водой

 

Порядок выполнения работы

1.Наливают в корпус воду и вращением подъемного винта поднимают подставку с планкой до градиента равного 1.

2.Заполняют фильтрационную трубку грунтом и ставят ее на подставку.

3.Вращением винта медленно погружают фильтрационную трубку с грунтом в воду до градиента 0,8. В таком положении прибор оставляют до появления в верхнем торце цилиндра влаги, о чем судят по изменившемуся цвету грунта.

4.Помещают на грунт сверху латунную сетку и надевают на фильтрационную трубку муфту и вращением подъемного винта опускают фильтрационную трубку в крайнее нижнее положение.

5.Заполняют мерный баллон водой, предварительно измерив ее температуру, зажимают его отверстие большим пальцем и, быстро опрокинув, вставляют в муфту фильтрационной трубки так, чтобы горлышко баллона соприкасалось с латунной сеткой.

6.Прорыв в мерный баллон крупных пузырьков воздуха свидетельствует о том, что горлышко его отстоит на значительном расстоянии от поверхности грунта. В этом случае баллон опускают на 1...2 мм и добиваются того, чтобы в него равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха.

7.Устанавливают планку на градиент 0,6 и доливают воду в корпус до верхнего края.

8.Отмечают по шкале уровень воды в мерном баллоне, пускают секундомер и по истечении определенного времени (60…120 с) замечают второй уровень воды в мерном баллоне, что дает возможность определить расход воды, профильтровавшейся через грунт за время. Для получения средней величины коэффициента фильтрации замеры повторяют при различных положениях ее уровня в мерном баллоне.

9.Опустив цилиндр с грунтом в крайнее нижнее положение, снимают мерный баллон, заполняют его водой и вновь вставляют в муфту.

10.Устанавливают планку на гидравлический градиент 0,8. Далее поступают согласно рекомендациям п. 8.

11. Все данные замеров заносят в таблица 7. По данным опыта рассчитывают коэффициент фильтрации K₁₀ при t=10ºC, м/сут:

Q,

где Q – расход воды, мм;
F – площадь поперечного сечения цилиндра, см²;
T – время фильтрации, с;
i – напорный градиент;
r – температурная поправка (0,7+0,03t);
t – температура фильтрующейся воды;

864 – переводной коэффициент из см/с в м/cут.

 

Таблица 7 – Журнал испытаний

№ опыта	Тип грунта	F, см2	i	T, с	Q, мл	r	K, м/сут
	Песок		0,6			1,24	36,7
	Песок		0,8			1,24	61,6

12.Определяют коэффициент фильтрации K, м/сут, по эмпирической формуле Н.Н. Маслова:

,

где d₁₀ – действующий диаметр, мм, значение которого определено в
работе №3.

Определение K по эмпирической формуле является приближенным.

 

 

Лабораторная работа № 6

Определение скорости распространения упругих волн в грунтах

 

Цель работы: Определение скорости распространения упругих волн в грунтах

Материалы и оборудование: ультразвуковой прибор УК–10 ПМС, электрические весы, штангенциркуль, образцы горных пород различной плотности, технический вазелин.

Порядок выполнения работы

1.Определяют размеры l и d и массу образцов. Результаты заносят в журнал наблюдений.

2.Вычисляют плотность грунтов ρ.

3.Образцы грунтов со смазанными вазелином торцами помещают между измерителем и приемником и несколько раз определяют время прохождения продольных волн t_Р каждого образца.

4.По усредненным значениям t_Р вычисляют скорости динамических волн V_P:

.

Все расчеты ведут в таблица 8.

5.Строят график зависимости ρ = f(V_Р), который можно использовать при определении плотности грунтов в полевых условиях.

Рисунок 4. Блок-схема импульсного ультразвукового прибора: 1 – генератор импульсов; 2 – приемник; 3 – излучатель; 4 – образец

Таблица 8 – Журнал наблюдений и вычислений

№ п/п	Наименование грунта	Размеры образца, см	V, см3	m, г	r, г/см2	t, мкс	VР, м/c
d	l	S
	Суглинок			50,3	100,0		2,10	15,9
	Мрамор	3,1		8,99	134,8		2,66

Рисунок 5. График зависимости скорости продольных динамических волн плотности грунтов

 

Лабораторная работа № 7

Определение производных и классификационных

физических характеристик грунтов

 

Цель работы: Определение производных и классификационных физических характеристик грунтов

Содержание работы

Производные и классификационные характеристики грунтов определяются аналитическим путем через основные и дополнительные физические характеристики. К производным характеристикам относятся: плотность сухого грунта ρ_d, коэффициент пористости e, удельный вес грунта, взвешенного в воде γ_sb. К классификационным характеристикам относятся: число пластичности I_Р, показатель текучести I_L, коэффициент водонасыщения S_r.

Порядок выполнения работы

1.Каждый студент получает таблицу с основными физическими характеристиками 4 – 5 грунтов.

2.Определение производных и классификационных характеристик производят по следующим формулам:

; ; ;

; ; ,

где ρ_S – плотность твердых частиц, т/см³;ρ_W – плотность воды (1,0 т/м³).

3.Результаты расчета сводят в таблице 9 и определяют разновидности грунта по ГОСТ 25100 – 95.

 

Таблица 9 – Сводная таблица физических характеристик грунтов

№ п/п

Грунт (по ГОСТ 25100–95)

Основные

Дополнительные

Производные

Индексационные (классификац.)

rS, т/м3

g, кн/м3

W

WL

WР

rd, т/м3

e

gsb, кн/м3

IР

IL

Sr

Глина полутвердая легкая, пылеватая

2,74

20,0

0,27

0,41

0,23

1,57

0,75

9,94

0,18

0,22

0,99

 

Лабораторная работа № 8

Определение размокаемости грунта

 

Цель работы: Определение размокаемости грунта

Содержание работы

Под размокаемостью понимают способность глинистых грунтов при впитывании воды терять связность и превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Характер и интенсивность процесса размокания зависит от характера структурных связей, состава и состояния пород. Величина размокаемости грунтов используется при оценке явлений переработки берегов водохранилища, устойчивости откосов каналов, стенок котлованов и других земляных сооружений. Показателями размокания являются время, в течение которого образец грунта, помещенный в воду, теряет связность и распадается, и характер распада (крупные или мелкие комочки, чешуйки, пыль и т.д.).

Материалы и оборудование: прибор ПРГ–1, кольцевой грунтонос, секундомер, часы, нож, сушильный шкаф, бюкс, технические весы с разновесами, грунт.

Порядок выполнения работы

1.Корпус прибора заполняют водой на 10 мм ниже краев боковых стенок. При опыте применяют дистиллированную воду или близкую по составу к той, воздействию которой подвергается грунт в природных условиях.

2.Вырезают кольцевым грунтоносом из монолита грунта цилиндр диаметром 30 и высотой 30 мм.

3.Из монолита в бюкс отбирают пробу грунта для определения влажности.

4.Выводят стрелку прибора в нулевое положение.

5.Приподнимают сетку, ставят ее на край правой стенки корпуса прибора и осторожно устанавливают образец.

6.Плавно погружают сетку с образцом в воду, придерживая рычаг.

7.Сразу же после погружения образца делают первую цифровую отметку.

8.Цифровые отметки при распаде образца грунта фиксируют через 5, 10, 30, 60 мин. и т.д. до полного распада образца.

 

Рисунок 6. Схема прибора ПРГ–1:

1 – корпус прибора; 2 – противовес; 3 – гайка; 4 – качающаяся ось;

5 – опора; 6 – скобообразный рычаг; 7 – стрелка; 8 – гибкая связь;

9 – сетка

 

9.Вычисляют процент распада П:

,

где Г – начальная отметка; Р – цифровая отметка в процессе размокания.

10.Результаты эксперимента заносят в таблица10.

Таблица 10 – Журнал наблюдений и вычислений

Время от начала опыта t, мин	Начальная цифровая отметка Г	Цифровая отметка в процессе распада Р	Процент распада П

11.Опыт считают законченным, если грунт полностью провалился сквозь сетку на дно корпуса, а стрелка заняла нулевое положение.

12.Строят график зависимости величины распада от времени. Для этого на графике по оси абсцисс откладывают время (t, мин), а по оси ординат – процент распада (рисунок 7).

13.В процессе опыта фиксируют характер распада: форму, размер и последовательность распада структурных единиц.

Рисунок 7. График зависимости величины распада от времени

 

 

Лабораторная работа № 9

Построение геологического разреза

 

Цель работы: Построение геологического разреза

Содержание работы

Геологический разрез строится для более четкого представления об условиях залегания грунтов в выбранном районе строительства. Линия пересечения земной поверхности с плоскостью геологического разреза называется линией разреза. Для построения геологического разреза выбирается базисная линия, от которой и строится разрез. За базисную линию принимают топографический профиль, линию с абсолютной отметкой ± 0,000, или нижнюю горизонтальную линию, выбираемую с таким расчетом, чтобы разрез располагался выше этой линии.

Материалы и оборудование: план расположения горных выработок, геологические колонки скважин, масштабная линейка или циркуль, миллиметровая бумага.

Порядок выполнения работы

1.На плане через горные выработки проводят линию разреза, концы которой обозначают цифрами I – I.

2.Вдоль выбранной линии разреза строят топографический профиль.

3.На профиль наносят устья скважин, отмечают номера выработок и абсолютные отметки их устьев. Тонкими вертикальными линиями отмечают направление осей скважин.

4.На основе линии горных выработок наносят данные о пройденных породах (интервал залегания, наименование породы, ее возрастной индекс). Все построения выполняют от базисной линии.

5.Приступают к объединению аналогичных пород, встреченных соседними выработками, в пласты, массивы. Такое объединение возможно лишь для пород, одинаковых по составу, возрасту и происхождению (генезису), а иногда одинаковых только по возрасту и генезису.

6.Нижняя граница геологического разреза определяется наиболее глубокой скважиной. Нельзя разрез снизу ограничивать линией, соединяющей забои горных выработок.

7.На разрез наносят данные о подземных водах. При безнапорном характере подземных вод депрессионная поверхность подземного потока показывается на разрезе I – I сплошной линией, соединяющей отметки воды в скважинах. При напорном характере величина напора обозначается стрелкой, направленной вверх, от отметки появления воды до отметки ее установления. Стрелку проводят слева от скважины.

8.Справа от скважины условными знаками показывают места отбора монолитов и проб горных пород, а также проб воды.

9.При окончательном оформлении чертежа линии скважин от устья до забоя четко выделяют. Забой скважины необходимо подчеркнуть короткой горизонтальной линией.

Рисунок 8. Геологический разрез по линии I – I

 

10.По каждой скважине проставляют отметки забоя, кровли и подошвы пластов. Пласты пород на разрезе имитируют в соответствии с принятыми условными обозначениями, контуры пластов выделяют жирными линиями. В пределах контуров пластов и массивов проставляют генетические и возвратные индексы.

11. Разрез сопровождают условными обозначениями. Условные обозначения пород располагают в строгой возрастной последовательности, от более молодых к более древним породам, сверху вниз или слева направо.

Общее оформление геологического разреза приведено на рисунок 7.

Рекомендуемый масштаб геологического разреза: горизонтальный 1:500, вертикальный 1:100.

 

Литература

1. Ананьев В.П. Инженерная геология и гидрогеология./ Ананьев В.П., Потапов А.Д. – М.: Высшая школа, 2002.

2. Чернышев С.Н., Чумаченко А.Н., Ревелис И.Л., Задачи и упражнения по инженерной геологии./ Чернышев С.Н., Чумаченко А.Н., Ревелис И.Л. – М.: высшая школа, 2002.

3. Матузков В.А., Инженерная геология и охрана природной среды. Методические указания по выполнению лабораторных работ. Часть 1, 1995-28 с.

4. ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация.

5. СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. М.: Госстрой России, 1996.

6. СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. М.: Госстрой России, 1997.