86466

Основні показники фізичних властивостей ґрунтів. Похідні властивості ґрунтів. Розрахункові показники фізичних властивостей ґрунтів

Лекция

География, геология и геодезия

Під гранулометричним (зерновим) складом розуміють кількісне співвідношення твердих часток різного розміру в дисперсних ґрунтах. Для його визначення звичайно використовують ситовий аналіз, який полягає в просіюванні повітряно-сухої навіски ґрунту

Украинкский

2015-04-07

200 KB

1 чел.

Лекція 2

Основні показники фізичних властивостей ґрунтів. Похідні властивості ґрунтів. Розрахункові показники фізичних властивостей ґрунтів

1. Фізичні характеристики ґрунтів

Для кількісної оцінки властивостей ґрунтів використовують характеристики кількох груп: класифікаційні; основні; похідні.

Згідно з ДСТУ Б В.2.1-2-96 (ГОСТ 25100-95) класифікаційними характеристиками для великоуламкових ґрунтів і пісків є гранулометричний склад та ступінь його неоднорідності (для різновидів цих ґрунтів – ще й коефіцієнт водонасичення і ступінь щільності), а для глинистих ґрунтів – число пластичності, вміст піщаних часток за масою та показник текучості. За ними встановлюють назву ґрунтів. Відбір, пакування, транспортування й зберігання зразків ґрунтів виконують так, щоб повністю зберегти стан (структуру, вологість тощо) ґрунту в природних умовах залягання.

Під гранулометричним (зерновим) складом розуміють кількісне співвідношення твердих часток різного розміру в дисперсних ґрунтах. Для його визначення звичайно використовують ситовий аналіз, який полягає в просіюванні повітряно-сухої навіски ґрунту масою 100 г через набір сит із розмірами отворів 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм із наступним виваженням кожної фракції. Приклад форми запису результатів ситового аналізу наведено в таблиці. 4.1.

Таблиця 4.1. Приклад результатів ситового аналізу гранулометричного складу піщаного ґрунту

Показник

Діаметр отвору сита, мм

2

0,5

0,25

0,1

піддон

Розмір фракції, мм

> 2

2-0,5

0,5-0,25

0,25-0,1

< 0,1

Маса фракцій, г

Уміст фракцій, %

10,5

10,5

22,6

22,6

32,8

32,8

30,9

30,9

3,2

3,2

За цими даними будують сумарну криву гранулометричного (зернового) складу (див. рис. 4.2). На такому графіку наочно видна неоднорідність ґрунту за структурою. Чим більша неоднорідність ґрунту, тим пологіша крива його зернового складу. Для кількісної оцінки неоднорідності великоуламкових ґрунтів і пісків визначають ступінь неоднорідності гранулометричного складу:

, (4.1)

де d60, d10 – діаметри часток, мм, менше від яких у ґрунті міститься відповідно 60 та 10 % (за масою) часток.

Чим ближчий ступінь неоднорідності Cu до одиниці, тим більше однорідність ґрунту за гранулометричним складом. При Cu ґрунт класифікують як неоднорідний.

Числом пластичності називається різниця вологостей, що відповідає двом станам ґрунту: на межі текучості WL і на межі розкочування WP:

. (4.2)

Межа текучості (або вологість на межі текучості) – вологість ґрунту, при якій ґрунт знаходиться на межі між пластичним і текучим станами), що відповідає вологості тіста, виготовленого з ґрунту та води, коли стандартний (полірований стальний) конус з кутом при вершині 30° за 5 секунд занурюється в нього на глибину 10 мм. Межа розкочування (або вологість на межі розкочування) – вологість ґрунту, при котрій ґрунт знаходиться на межі між твердим і пластичним станами, що відповідає такій вологості ґрунтового тіста, при якій воно розкочується в шнур діаметром близько 3 мм, після чого починає розпадатись на окремі кусочки довжиною 3-10 мм. Звичайно такі способи находження цих границь і самі границі досить умовні, але для інженерної практики точність визначення величин WL та WP цілком задовільна.

Показником текучості називається відношення різниці вологостей, що відповідають двом станам ґрунту: природному W і на границі розкочування WP до числа пластичності IP:

. (4.3)

Основні фізичні характеристики: щільність ґрунту ρ, щільність частинок ґрунту ρs, природну вологість ґрунту W, – визначають безпосередньо з дослідів.

На рис. 4.3 пропонується схема складових компонентів зразка ґрунту. З неї видно, що зразок ґрунту умовно поділено на дві частини: першу, зайняту твердими частками, об’ємом V1, і другу, зайняту порами, об’ємом V2. Порожнину, зайняту порами, можна також умовно поділити на дві частини, одна з яких зайнята водою, друга – повітрям. Тоді маса твердих частинок ґрунту буде m1, а маса води – m2 (маса повітря не враховується при цих розрахунках). Тоді основні фізичні характеристики визначають таким чином.

Щільність ґрунту – маса одиниці об’єму ґрунту. Визначається експериментально як відношення маси зразка ґрунту до його об’єму:

. (4.4)

Вимірюється в г/см3 або т/м3. Визначення щільності ґрунтів, які при відборі зразків зберігають структуру і в той же час піддаються обробці ножем, здійснюють за методом ріжучих кілець. Маса та внутрішній об’єм цих кілець відомі. Після визначення маси кільця з ґрунтом на терезах із цієї величини вираховують масу кільця, а отриманий результат ділять на внутрішній об’єм кільця. Щільність скельних ґрунтів визначають методом гідростатичного зважування з попереднім парафінуванням. Іноді щільність ґрунту визначають непрямими методами, зокрема шляхом каротажу, пенетрації, зондування тощо. Щільність свідчить про потенційну можливість ущільнення ґрунту.

Щільність часток ґрунту – маса одиниці об’єму твердих часток ґрунту. Визначається експериментально, наприклад за допомогою пікнометра, як відношення маси твердих часток ґрунту до їх об’єму:

. (4.5)

Залежить лише від мінерального складу ґрунту. Для скельних ґрунтів звичайно змінюється від 2,4 до 3,3 г/см3, для нескельних – 2,4-2,8 г/см3. Орієнтовно значення щільності часток ґрунту складають: для пісків – 2,65-2,67; для супісків – 2,68-2,72; для суглинків – 2,69-2,73; для глин – 2,71-2,76 г/см3. Для лесових ґрунтів України, за даними професора І. М. Литвинова, ρs=2,68 г/см3.

Природна вологість ґрунту – відношення маси води до маси твердих частинок:

. (4.6)

У лабораторних умовах маси води та твердих частинок визначають методом висушування при температурі 105°C, а в польових – електрометричним і радіоактивними методами.

Похідні фізичні характеристики ґрунтів, як правило, визначають шляхом розрахунку з використанням основних.

Щільність сухого ґрунту (іноді ще скелету ґрунту) ρd– відношення маси ґрунту за відрахуванням маси води та льоду в його порах до його первісного об’єму. Визначається експериментально як відношення маси твердих часток ґрунту до всього об’єму зразка непорушеної структури до висушування:

, (4.7)

або розрахунком за формулою

. (4.8)

Вимірюється в г/см3 або т/м3. У практиці будівництва використовується для оцінювання ущільнення ґрунту, в т. ч. при контролі якості зведення штучних основ, які виготовляються без виймання ґрунту, піщаних і ґрунтових подушок. Орієнтовно глинистий ґрунт вважають достатньо ущільненим при ρd=1,55-1,6 г/см3, а піщаний – при ρd=1,65 г/см3.

Пористість ґрунту n – це відношення об’єму пор до загального об’єму зразка ґрунту:

. (4.9)

Відносний вміст твердих часток в одиниці об’єму ґрунту позначають  і знаходять відношення об’ємів твердих частинок зразка в цілому:

. (4.10)

Тоді

;     . (4.11)

Величини n та m звичайно виражають у частках одиниці, іноді у відсотках. У більшості випадків пористість нескельних ґрунтів коливається від 0,3 до 0,5, але для лесових і слабких ґрунтів вона може сягати й значно більших значень.

Використовуючи формули (4.5) та (4.8), легко отримати , а враховуючи (4.11), маємо

. (4.12)

Коефіцієнт пористості e – це відношення об’єму пор до об’єму твердих частинок:

       або       , (4.13)

звідки

 (4.14)

чи, враховуючи (4.8), маємо:

. (4.15)

Із визначення коефіцієнта пористості ґрунту можна отримати й

     та     . (4.16)

Коефіцієнт пористості – один із найважливіших параметрів ґрунту, що характеризує щільність його будови (чим він менший, тим щільніший ґрунт, а отже, кращі його будівельні властивості) і безпосередньо використовується в розрахунках. Для пісків його використовують й у якості класифікаційного показника.

Поняття “пористість” та “вологість” ґрунту певним чином пов’язані між собою. Введемо ще й поняття вологості, що відповідає повному водонасиченню ґрунту, отже, випадку, коли всі пори заповнені водою, – Wsat. Цю величину звичайно називають повною вологомісткістю ґрунту. Тоді згідно з (4.6) отримаємо:

, (4.17)

де ρw – щільність води, що дорівнює 1 г/см3.

Ступінь заповнення пор ґрунту водою характеризується коефіцієнтом водонасичення Sr, який дорівнює відношенню природної вологості ґрунту до його повної вологомісткості:

. (4.18)

Підставивши замість Wsat його значення у вигляді (4.17), знайдемо, що

. (4.19)

Коефіцієнт водонасичення вимірюється в частинах одиниці й змінюється від 0 у випадку абсолютно сухого ґрунту до 1 при повному заповненні пор водою. Значення цього показника суттєво впливає на зміни властивостей піщаних ґрунтів і використовується як їх класифікаційний показник.

Ступінь щільності пісків ID визначають за формулою

, (4.20)

де emax – коефіцієнт пористості у гранично-пухкому складанні; emin – коефіцієнт пористості у гранично-щільному складанні.

При цьому значення emax визначають при вільному насипанні піску в мірну посудину, а значення emin – при максимальному ущільненні піску постукуванням чи вібруванням у мірній колбі.

Для підрахунку ваги ґрунту використовують такі характеристики:

питому вагу ґрунту (вимірюється в Н/см3 або кН/м3)

, (4.21)

де g=9,81 м/с210 м/с2 – прискорення вільного падіння;

питому вагу часток ґрунту (Н/см3 або кН/м3)

; (4.22)

питому вагу сухого ґрунту (Н/см3 або кН/м3)

. (4.23)

У будівельній практиці, крім розглянутих вище, використовують й інші характеристики складу та стану ґрунтів. Як правило їх використовують для більш детального опису складу твердої фази ґрунту. Ці характеристики вказують відносний вміст у ґрунті розчинної, колоїдної чи органічної частин. За прийнятою термінологією вони виражають засоленість, льодистість, здатність до набухання, вміст органічної речовини тощо. Ці характеристики будуть розглядатись у наступних розділах підручника за необхідністю.

2. Визначення розрахункових характеристик
фізико-механічних властивостей ґрунтів

Ґрунтова товща, як природна, так і штучна, неоднорідна та складається з інженерно-геологічних елементів (шарів чи пластів ґрунту). Але й у межах кожного елемента ґрунт унаслідок його природної неоднорідності, зміни геологічних умов чи через особливості технології зведення штучних основ може відрізнятися за складом, будовою, станом, значеннями механічних характеристик. Для отримання найбільш достовірних значень вищерозглянутих фізико-механічних властивостей ґрунту за обмеженої кількості випробувань у різних точках шару звертаються до статистичної обробки даних лабораторних чи польових випробувань згідно з ДСТУ Б В.2.1-5-96 (ГОСТ 20522-96). Проведення великої кількості випробувань практично неможливе, тому користуються кількома поодинокими визначеннями – вибіркою.

Розрізняють нормативні Xn та розрахункові X значення характеристик ґрунту. Нормативні значення всіх фізичних (вологості, щільності, пластичності тощо) і деяких механічних (модуля деформації, границі міцності на одноосьовий стиск, відносних просадочності й набрякання та ін.) характеристик ґрунту приймають рівними середньоарифметичній величині поодиноких визначень Xi цих характеристик

, (4.57)

де n – кількість визначень характеристики (обсяг вибірки).

Далі перевіряють, чи не містяться серед поодиноких визначень Xi будь-які дані із суттєвими відхиленнями від загальної сукупності результатів. Вилученню із загальної вибірки підлягають максимальні або мінімальні значення Xi (відскоки), для котрих виконується умова

, (4.58)

де ν – статистичний критерій, який приймають залежно від кількості визначень n характеристики за статистичними таблицями ДСТУ Б В.2.1-5-96;  – середньоквадратичне відхилення характеристики, що дорівнює

. (4.59)

При відсутності таких відскоків за нормативну характеристику приймають середньоарифметичне значення Xn. Якщо відскоки мають місце, то їх значення виключають із загальної вибірки, після чого визначають середньоарифметичне значення Xn і знов перевіряють вибірку на наявність відскоків.

Нормативні значення характеристик міцності ґрунту (кут внутрішнього тертя φ та питоме зчеплення c) визначають після побудови графіків τпр=σtgφ+c (див. п.4.6). При цьому врахування розкиду дослідних точок при апроксимації їх лінійною залежністю виконують обробкою експериментальних даних методом найменших квадратів. Тоді нормативні значення tgφn і cn знаходять за
формулами

; (4.60)

, (4.61)

де n – кількість експериментів за визначенням граничного опору зрушенню τi при певних σi; Δ – спільний знаменник цих виразів

. (4.62)

Отримані таким чином нормативні значення характеристик через неоднорідність ґрунту й обмежену кількість даних завжди на якусь невизначену величину відхиляються від їх дійсних значень (математичного очікування). Тобто нормативні значення містять певну похибку. Для зниження її впливу на проектне рішення в розрахунках використовують не нормативні, а так звані розрахункові характеристики ґрунтів.

Розрахункові значення характеристик X визначають за формулою

, (4.63)

де γg – коефіцієнт надійності за ґрунтом.

Для всіх фізичних характеристик (крім щільності) та модуля деформації ґрунту СНиП 2.02.01-83* дозволяє приймати γg=1, а для розрахункових значень характеристик міцності (кута внутрішнього тертя φ, питомого зчеплення c нескельних ґрунтів і границі міцності на одноосьовий стиск скельних ґрунтів Rc, а також щільності ґрунту ρ) цей коефіцієнт установлюють залежно від змінності цих характеристик, кількості визначень і довірчої ймовірності.

Окремо зазначимо, що визначення модуля деформації ґрунту в лабора-
торних умовах повинно проводитись не менше ніж на шести зразках (до речі, як і при визначенні характеристик
Rc та ρ), а в польових умовах при випробуванні штампом можна обмежитись трьома дослідами (або навіть двома, якщо їх результати відрізняються не більше ніж на 25%). Для нормативних і розрахункових характеристик φ та с виконують не менше шести визначень опору зрушенню τi для кожного вибраного значення вертикального тиску σi.

При визначенні розрахункових характеристик міцності й щільності коефіцієнт надійності за ґрунтом визначають із виразу

, (4.64)

де ρα – показник точності, що характеризує область навколо середнього значення параметра ґрунту, у межах якої із заданою ймовірністю α знаходиться його “дійсне” (генеральне) середнє значення. Знак перед цим показником вибирають так, щоб забезпечити більшу надійність розрахунку. Наприклад, у розрахунках на стійкість споруди для частини ґрунту, що завдає активного тиску на неї, показник точності приймають зі знаком “плюс”, а для частини ґрунту, яка завдає пасивного тиску, – з “мінусом”.

Для Rc та ρ

; (4.65)

для tgφ і c

, (4.66)

де tα – коефіцієнт, що приймають за таблицею ДСТУ Б В.2.1-5-96 залежно від заданої однобічної надійної ймовірності α й кількості дослідних визначень n (для Rc та ρ при (n-1); для tgφ та c при (n-2)), як це подано в таблиці 4.10; v – коефіцієнт варіації характеристики, який визначають за формулою

. (4.67)

При цьому для Rc і ρ середньоквадратичне відхилення характеристики S визначають за виразом (4.58), а для tgφ та c воно відповідно дорівнює

  та , (4.68)

де

. (4.69)

Слід також пам’ятати, що розрахункове значення питомої ваги ґрунту встановлюється множенням розрахункового значення щільності ґрунту на прискорення вільного падіння.

Таблиця 4.10. Значення статистичного критерію tα при однобічній надійній імовірності α та числі степенів вільності

α

Кількість визначень (n-1) або (n-2)

3

4

5

6

10

15

20

25

30

40

60

0,85

1,25

1,19

1,16

1,13

1,10

1,07

1,06

1,06

1,05

1,05

1,05

0,95

2,35

2,13

2,01

1,94

1,81

1,75

1,72

1,71

1,70

1,68

1,67

0,98

3,45

3,02

2,74

2,63

2,40

2,27

2,22

2,19

2,17

2,14

2,12

0,99

4,54

3,75

3,36

3,14

2,76

2,60

2,53

2,49

2,45

2,42

2,39

У розрахунках за першою групою граничних станів (за несучою здатністю) розрахункові характеристики визначають при довірчій імовірності α=0,95 і звичайно позначають як tgφI, cI, ρI, а в розрахунках за другою групою граничних станів (за деформаціями) – при α=0,85 та позначають як tgφII, cII, ρII. Для основ опор мостів відповідно α=0,98 і α=0,99.

При цьому дійсне середнє значення характеристики (розрахункової) не повинно виходити за нижню чи верхню межі однобічного довірчого значення. Отже, значення шуканої характеристики на кривій розподілу (рис. 4.20) попадає в інтервал δ, який називають довірчим.

Прийняті довірчі ймовірності α=0,95 та α=0,85 означають, що в першому випадку лише 5%, а у другому – 15% значень поодиноких визначень будуть більшими чи меншими від прийнятого розрахункового значення характеристики.

Розрахункові значення характеристик ґрунтів Rc, c, φ і γ для розрахунків основ за несучою здатністю (перший граничний стан) позначають RcI, cI, φI та γI, а за деформаціями (другий граничний стан) – cII, φII і γII.

PAGE 8


10,0

0,01

0,05

,10

0,5

1,0

5,0

0

80

100

70

20

30

10

50

60

40

90

Діаметр частинок, мм

Вміст частинок, %

Рис. 4.2. Cумарна крива гранулометричного складу піску

g2

g1

V2

V1

Рис. 4.3. Схема складових компонентів зразка ґрунту

xmin

x

xmax

xn

δ

δ

x

n

1

2

Рис. 4.20. Статистичні криві розподілу значень фізико-механічних характеристик: 1 – теоретична; 2 – дослідна


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8361. Китайские церемонии или радостно встречая 18-ый съезд КПК 47.5 KB
  Китайские церемонии или радостно встречая 18-ый съезд КПК Связка трех сил внутри китайского руководства Учение Маркса (марксизм-ленинизм - идеи Мао Цзэдуна) было всесильным и верным в период индустриального общества борьбы труда и капитала. Теперь ж...
8362. Китай. Экономическое и политическое развитие КНР 707 KB
  План. Введение Экономико- и политико-географическое положение. Особенности исторического развития. Природно-ресурсные предпосылки для развития экономики. Земельные ресурсы. Минеральные ресурсы. Топливные ПИ...
8363. Средневековая китайско-конфуцианская цивилизация 286 KB
  Средневековая китайско-конфуцианская цивилизация I. Формирование основ средневекового китайского общества и государства: II в. до н.э. - VI в. н.э. Период Хань: конец II в. до н.э. - III в. н.э. Период Троецарствия: 220 гг....
8364. Китай Економіко-географічна характеристика країни 114 KB
  Китай Економіко-географічна характеристика країни. Площа - 9,6 млн км,2. Населення - 1,2 млрд чоловік. Столиця - Пекін. Китай - країна, історія державності якої сягає кількох тисячоліть Її зробив вагомий внесок у матеріальну та духовну культуру людс...
8365. Удивительный Китай 172.08 KB
  Удивительный Китай Китай - это не только другая страна, это другая планета, на которой обитают существа совершенно другой расы, мотивы слов и поступков которых подчиняются железно многотысячелетней логике, для обычного человека не имеющей разумного ...
8366. Демографический кризис в Китае и проблемы связанные с ним 32.41 KB
  Введение. Весь мир взволнован проблемами постоянно растущей численности населения Китая. Приводятся все новые факты, подтверждающие реальность китайской демографической угрозы. Огромное население придает всем проблемам в Китае масштабность, глубину...
8367. Заметки о китайском социализме 88 KB
  Заметки о китайском социализме. Опыт Китая позволяет понять, что необходимо сделать для строительства эффективного социалистического общества XXI века. Понятно, что это будет общество, отличающееся от социализма, обоснованного в других условиях К. М...
8368. Основы разговорного китайского языка 103.5 KB
  Основы разговорного китайского языка В пособии приводиться базовые фразы в форме диалогов, упражнения для повторения пройденной лексики, упражнения для перевода с русского языка на китайский для закрепления грамматических форм. Тексты, приведенные...
8369. Все о китайском чае 103 KB
  Во все времена Китай считался одним из главных производителей чая. За долгую историю производства чая в это стране были открыты и внедрены в практику различные способы выращивания чайного листа, продуманы и апробированы принципы его предварительной ...