Определение плотности песчаного грунта методом мерных цилиндров

Плотностью грунта - r называется отношение массы образца грунта к его объему. Различают плотность грунта ненарушенного (природного) сложения и нарушенного (заданного) сложения. В лабораторной работе определяется плотность песчаного грунта заданного сложения. Необходимое оборудование: мерный металлический цилиндр объемом 500 см³, весы лабораторные с разновесами, совок, деревянная трамбовка, линейка.

Порядок выполнения работы

1. Определяют массу мерного цилиндра.

2. Заполняют цилиндр небольшими порциями подготовленного для анализа песка, уплотняя его деревянной трамбовкой. Излишек песка сдвигают линейкой, выравнивая его поверхность с краями цилиндра.

3. Определяют массу цилиндра с песком.

4. Повторяют опыт не менее 2-х раз.

Результаты взвешиваний записывают в журнал.

Обработка результатов

Плотность песчаного грунта, г/см³, определяют по формуле

m₁ - m

r = -------, (3)

V

где m - масса пустого цилиндра, г; m₁ - масса цилиндра с песком, г; V - объем цилиндра, см³.

По данным нескольких опытов определяют среднее значение плотности песчаного грунта.

Определение вычисляемых характеристик грунта

Характеристики, определяемые непосредственно при испытаниях называются основными, исходными. Для песчаных грунтов к ним, кроме гранулометрического состава, степени неоднородности и плотности, относятся плотность частиц грунта r_s и влажность грунта w (см. лабораторную работу № 2). К вычисляемым (производным) относятся следующие характеристики:

1. Плотность сухого (скелета) грунта r_d - отношение массы сухого грунта ко всему объему грунта. Плотность сухого грунта вычисляется по формуле

r

r _d = --------, (4)

1+ w

где r- плотность грунта, г/см³; w - влажность грунта (задается преподавателем).

2. Пористость грунта n - отношение объема пор в образце к объему самого образца. Пористость вычисляется по формуле

r_d

n = (1 - ------------) 100 %. (5)

r_s

3. Коэффициент пористости е - отношение объема пор в образце к объему твердых минеральных частиц грунта. Коэффициент пористости вычисляется по формуле

r _s

е = --------- - 1.(6)

r _d

Или

n

е = ----------. (7)

N

Степень влажности Sr - степень заполнения объема пор водой.

Степень влажности вычисляется по формуле

w r_s

Sr = ---------, (8)

е r_w

где r_w- плотность воды, которую принимают равной 1 г/см³.

Вид песчаного грунта по плотности сложения определяется согласно нормам по табл. 1.2.

Разновидности песчаного грунта по степени влажности определяются согласно нормам по табл. 1.3.

Таблица 1.2

Виды песков по плотности их сложения

Пески	Плотность сложения песков
	Плотные	Средней плотности	Рыхлые
Гравелистые, крупные и средней крупности Мелкие Пылеватые	е < 0.55   е < 0.60 е < 0.60	0.55 Ј е Ј 0.70   0.60 Ј e Ј 0.75 0.60 Ј e Ј 0.80	e > 0.70   e >0.75 e > 0.80

Таблица 1.3

Разновидности по степени влажности

Грунты	Степень влажности Sr
Маловлажные Влажные Насыщенные водой	0 < Sr Ј 0.5 0.5 < Sr Ј 0.8 0.8 < Sr Ј 1.0

Определение угла естественного откоса песчаного грунта

Общие понятия

Углом естественного откоса называется угол, при котором неукрепленный откос песчаного грунта сохраняет равновесие или угол между образующей откоса свободно насыпанной массы песка и горизонталью.

Угол естественного откоса определяют в воздушно-сухом состоянии и под водой. В воздушно-сухом состоянии он колеблется в пределах y = 30 ⁰ - 40 ⁰; под водой y= 20 ⁰ -33 ⁰. Определение угла естественного откоса производится с помощью прибора УВТ-2. Прибор УВТ-2 состоит из мерительного столика, обоймы и резервуара. Мерительный столик представляет собой диск, установленный на трех опорах. Столик имеет мелкие отверстия диаметром 0,8 - 1 мм. Шкала, укрепленная в центре столика, имеет деления от 5 до 45. Каждое деление соответствует одному градусу в угловой мере. На мерительном столике установлена обойма конической формы, которая служит для ограждения насыпаемого на столик песка. Резервуар представляет собой стеклянный цилиндр высотой 120 мм и диаметром 180 мм.

Подготовка к испытанию

Образец песчаного грунта доводят до воздушно-сухого состояния и методом квартования отбирают пробу массой около 1 кг.

Порядок выполнения работы

1. Устанавливают резервуар на ровную поверхность и помещают в него мерительный столик со шкалой.

2. На столик устанавливают обойму, в которую совочком насыпают песок до ее заполнения, уплотняя постукиванием по обойме.

3. Берут большим и средним пальцами руки горловину обоймы, а указательным пальцем упираются в головку шкалы. Осторожно, по возможности вертикально, снимают обойму. По вершине образовавшегося конуса песка берут отсчет по вертикальной шкале в градусах, который и будет искомым углом естественного откоса.

4. Опыт повторяют 2 - 3 раза с таким расчетом, чтобы расхождение между результатами составляло не более 1⁰. Определяют среднее арифметическое значение угла естественного откоса. Результаты записывают в журнал.

Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта

Общие понятия

Фильтрацией называется движение воды в грунтах под действием сил тяжести и разности напоров. Фильтрационные свойства грунтов при их водопроницаемости характеризуются коэффициентом фильтрации К_ф,см/с; м/с; м/сут. Коэффициентом фильтрации называется скорость движения воды в грунте при напорном гидравлическом градиенте, равном 1. Определение коэффициента фильтрации производится различными лабораторными методами, а более надежно–полевыми методами. Коэффициент фильтрации используется для определения притока воды в котлован, к дренажным и водозаборным устройствам, для расчетов осадки фундаментов во времени, фильтрационных потерь воды через земляные сооружения и т.д. Значения коэффициента фильтрации у песчаного грунта колеблются в пределах 10^-1 -10^-3 см/с.

В лаборатории коэффициент фильтрации определяют с помощью прибора КФ-01. Прибор состоит из мерного стеклянного цилиндра и металлической трубки, снабженной верхней и нижней крышками. Мерный цилиндр объемом 100см³ имеет суженное горлышко и устанавливается на грунт через верхнюю крышку. Металлическая трубка представляет собой цилиндр диаметром 50 - 60мм и длиной 110 - 120мм. Один конец металлической трубки скошен и остро отточен. Нижняя крышка имеет дырчатое дно и покрыта сеткой.

Необходимое оборудование: КФ-01, батарейная банка, кристаллизатор, термометр, секундомер.

Подготовка к испытанию

1. При испытании песчаных грунтов нарушенного сложения надевают на трубку нижнюю крышку и наполняют ее грунтом. Сверху кладут сетку и надевают верхнюю крышку.

2. Трубку с грунтом устанавливают в банку и постепенно наливают в нее воду. Грунт насыщается водой снизу вверх.

3. После того, как вода появится в трубке над грунтом, насыщение его заканчивают. Ставят трубку в кристаллизатор.

Порядок выполнения работы

1. Измеряют температуру воды, приготовленной для фильтрации.

2. Наполняют водой мерный стеклянный цилиндр и, быстро опрокинув его, укрепляют в верхней крышке так, чтобы горлышко цилиндра опиралось непосредственно на подготовленный к испытанию грунт. В таком положении мерный цилиндр автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды в 1 - 2 мм. Как только этот уровень вследствие фильтрации воды через грунт понизится, в мерный цилиндр прорывается пузырек воздуха, и соответствующее количество воды вытечет из него. Этим достигается постоянство напорного градиента, так как напор равен пути фильтрации.

3. Опуская и поднимая на 1 - 2 мм мерный цилиндр, добиваются того, чтобы в цилиндре равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха. По достижении указанных условий, отмечают на шкале уровень воды в мерном цилиндре и пускают секундомер. Расход воды Q, профильтровавшийся через грунт, должен быть не менее 50 м³. Замечают время, за которое профильтровался принятый объем воды. Результаты испытания записывают в журнал.

Обработка результатов

1. Коэффициент фильтрации К_ф, м/с при данной температуре воды вычисляют по формуле

Q

К_ф = -------------, (9)

t F 100

где Q - объем профильтровавшейся воды, см³; t - время фильтрации, с; F - площадь поперечного сечения металлической трубки, см³; 100 - переводной коэффициент.

2. Коэффициент фильтрации приводится к стандартной температуре t_w = 10⁰C по формуле

К_ф

К_ф10 = ----------------------- ^. 86,4 ^. 10³. (10)

t

где t - температурная поправка, определяемая по таблице в зависимости от температуры воды; 86,4 · 10³ - переводной коэффициент.

Результаты вычислений записывают в журнал.

По окончании лабораторной работы устанавливается полное наименование и состояние песчаного грунта (по гранулометрическому составу, степени неоднородности, плотности сложения, степени влажности), а также расчетное сопротивление по табл.1.4 при проектировании оснований зданий и сооружений или условное сопротивление по табл.1.5 при проектировании оснований мостов и труб.

Таблица 1.4

Расчетные сопротивления R₀ песчаных грунтов основания

Пески	Значения R0, кПа, в зависимости от плотности сложения песков
Плотные	Средней плотности
Крупные Средней крупности Мелкие: маловлажные влажные и насыщенные водой Пылеватые: маловлажные влажные насыщенные водой

Таблица 1.5

Условное сопротивление песчаных грунтов

Песчаные грунты и их влажность	Условное сопротивление R0, кПа песчаных грунтов средней плотности в основаниях
Гравелистые и крупные независимо от их влажности Средней крупности: маловлажные влажные и насыщенные водой Мелкие: маловлажные влажные и насыщенные водой Пылеватые: маловлажные влажные насыщенные водой

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

Задачи и решения

Задача 1

Определить наименование, плотность сложения, степень влажности и расчетное (условное) сопротивление песчаного грунта, если в результате анализа были получены следующие характеристики:

Гранулометрический состав:

Размер частиц, мм	10-15	5-2	2-1	1-1,05	0,5-0,25	0,25-0,1	< 0,1
содержание, %

Плотность частиц r _s = 2,66 г/см³, плотность грунта r = 1.80 г/см³, влажность w = 0,1.

Решение

1. Пользуясь табл. 1.1, последовательно суммируя содержание частиц в % от более крупных к мелким, устанавливаем, что это мелкий песок, т.к. масса частиц крупнее 0,1 мм составляет 79 % или более 75 %.

2. Определяем плотность сухого грунта по формуле (4)

r 1,80

r = --------------- = ------------------------ = 1,64 г/см³.

1 + w 1+0,1

3. Определяем коэффициент пористости грунта по формуле (6)

r_s 2,66

е = ------- - 1 = --------- - 1 = 0,62.

r_d 1,64

По табл. 1.2 устанавливаем, что данный песок имеет среднюю плотность сложения.

4. Определяем степень влажности грунта по формуле (8)

r_s ^. w 0,1 ^. 2,66

S_r = ---------- = ------------------ = 0,43.

e ^. r_w 0,62 ^. 1,0

Пользуясь табл. 1.3, устанавливаем, что данный песок является маловлажным.

5. Определяем расчетное сопротивление мелкого маловлажного песка средней плотности сложения по табл. 1.4, оно равно R₀ = 300 кПа.

Условное сопротивление этого грунта по табл. 1.5 равно R₀ = 196 кПа.

Задача 2

Плотность сыпучего грунта при влажности w₁=0,06 равна r₁=1,7 т/м³. Определить плотность того же грунта при увеличении влажности до w₂=0,25.

Решение

1. Определяем плотность сухого грунта по формуле (4)

r₁ 1,7

r_d= -------- = ----------- = 1,6 т/м³.

1+ w₁ 1 + 0,06

2. Определяем плотность этого грунта при влажности w₂ =0,25 по формуле

r ₂ = r _d (1+w₂) = 1,6 ^. (1+0,25) = 2,0 т/м³.

^{Задача 3}

Плотность сухого песка равна r_d = 1,6 т/м³. Чему будет равна плотность этого грунта при полном его водонасыщении, если плотность частиц равна r_s = 2,68 т/м³.

Решение

1. Определяем пористость грунта по формуле (5)

r_d 1,6

n = 1- ------ = 1 - -------- = 0,4

r_s 2,68

В одном м³ сухого песка объем пор составляет 0,4 м³. При полном водонасыщении песка объем воды в этих порах также будет равен 0,4 м³, а масса воды m_w= 0,4 т.

2. Определяем плотность водонасыщенного песка по формуле

r = r _d + m_w = 1,6 + 0,4 = 2 т/м³.

Задача 4

Определить коэффициент фильтрации песчаного грунта, если при испытании его на приборе КФ-01 при площади поперечного сечения трубки F = 25см² за время t = 110 с через песок профильтровался объем воды Q =80 см³ при температуре t_w = 18 ⁰C.

Решение

1. Определяем коэффициент фильтрации песчаного грунта по формуле (9) при данной температуре воды

Q 80

к_ф = ------------- = ------------------- = 0,00029 м/сутки.

t F 100 100 ^. 25 ^. 100

2. Определяем коэффициент фильтрации этого грунта при стандартной температуре воды t_w = 10 ⁰C по формуле (10). Температурная поправка t = 1.24.

К_ф 0,00029

К_ф10 = --------- ^. 86,4 ^. 10³ = ---------------- ^. 86,4 ^. 10³ = 20,2 м/cутки

t 1,24

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется гранулометрическим составом грунта?

2. Как производится отбор пробы для определения физических характеристик песчаного грунта?

3. Какие существуют методы определения гранулометрического состава песчаного грунта?

4. Как определяется наименование песчаного грунта?

5. Как определяется степень неоднородности песчаного грунта?

6. Что такое плотность грунта, плотность частиц грунта, плотность сухого грунта?

7. Как определяется плотность песчаного грунта?

8. Что такое пористость и коэффициент пористости грунта? Как они определяются и где используются?

9. Как определяется плотность сложения песчаного грунта?

10. Что такое степень влажности грунта и для чего она определяется?

11. Что необходимо знать для определения расчетного или условного сопротивления грунта?

12. Что такое угол естественного откоса песчаного грунта, как он определяется и для чего используется?

13. Что такое коэффициент фильтрации грунта, как он определяется и где используется?

Форма отчета: Каждый студент выполняет задание презентует полученный результат.

 

Учебная и специальная литература:

Основная литература

1. Трифонов К. И., Девисилов В. А.Физико-химические процессы в техносфере: Учебник. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2012. — 240 с.: ил. — (Высшее образование).

Дополнительная литература

2. Алексеенко, В. А., Алексеенко, Л. П. Геохимические барьеры: Учеб.пособие / В. А. Алексеенко, Л. П. Алексеенко.– М.: Логос, – 2003.- 144с.

3. Добровольский, В.В. Геохимическое землеведение: учеб пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «география» / В. В. Добровольский. – М.: Гуманитарн. изд. центр ВЛАДОС, – 2008. – 207с.

4. Еськов, К. Ю. История Земле и жизни на ней (учебное пособие для старших классов)/ К. Ю. Еськов. — М.: МИРОС — МАИК Наука/Интерпериодика, – 2000. – 352 с.

5. Заварзин, Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии / Г. А. Заварзин. – М.: Наука, – 2003, – 348с.

6. Исидоров, В.А. Введение в экотоксикологию /В.А. Исидоров СПб.: Химиздат, – 1999. – 143с.

7. Исидоров, В.А. Экологическая химия / В.А. Исидоров – СПб, Химиздат, – 2001, – 304с.

8. Линник, П. Н. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах / П. Н. Линник, Б.И. Набиванец. – Л.: Гидрометеоиздат, – 1986, – 270с.

9. Майстренко, В.Н. Эколого-аналитический мониторинг стойких органических загрязнителей/ В. Н. Майстренко, Н. А. Клюев. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, – 2009. – 323с.

10. МГЭИК, 2007, «Изменение климата, 2007 г.: физическая научная основа. Материал Рабочей группы I к Четвертому докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата об оценках» [Соломон, С., Д. Чин, М. Мэннинг, ЧенЖенлинь, М. Маркис, К.Б. Аверит, М. Тигнор и Х.Л. Миллер (ред.)])

11. Михайлов, В.Н. Гидрология: учебник для вузов / В. Н Михайлов, А. Д. Добровольский, С. А. Добролюбов. – М.: Высшая школа, – 2005. – 463с.

12. Орлов, Д. С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учеб. Пособие для хим., хим.-технол. и биол. спец. вузов / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская. – М.: Высш. шк., – 2002. – 334 с.

13. Скальный, А. В. Химические элементы в физиологии и экологии человека/ А. В. Скальный. – М.: Издательский дом «Оникс 21 век»: Мир, – – 2004. – 216 с.

14. Сорохтин, О. Г., Ушаков, С. А.. Развитие Земли/ О. Г. Сорохтин, С. А Ушаков.– М.: Изд-во МГУ, – 2002, – 506с.

15. Астафьева Л. С. Экологическая химия: учебник / Л. С. Астафьева. - М., 2006. – 222 с.: ил., табл. - Рекомендовано МО.

16. Ложниченко О. В. Экологическая химия: [учебное пособие для вузов по специальности "Биоэкология" и смежным отраслям] / О. В. Ложниченко, И. В. Волкова, В. Ф. Зайцев. - М., 2008. - 264 с.: ил. - Рекомендовано УМО.

 

Практическая работа № 5

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: