Физический смысл процессов набухания глинистых грунтов, их практическое значение для инженерно-геологической оценки

Физический смысл процессов набухания глинистых грунтов, их практическое значение для инженерно-геологической оценки

Курсовая работа по теме:

«Физический смысл процессов набухания глинистых грунтов, их практическое значение для инженерно-геологической оценки»

Оглавление

Введение

Глава 1. Теоретическое обоснование

.1 Набухание глинистых грунтов

.2 Пластичность глинистых грунтов

Глава 2. Методика проведения исследований

.1 Определение набухания глинистых грунтов

.2 Определение верхнего предела пластичности

.3 Определение нижнего предела пластичности

Глава 3. Расчётная часть

Глава 4. Анализ полученных результатов

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Развитие современной геологической науки в основном обуславливается потребностями человечества в различных полезных ископаемых, в качестве энергетических ресурсов и сырья для промышленности и необходимостью обеспечить геологической службой различные виды строительства и другие инженерные мероприятия и подразумевает активное воздействие на земную кору. Важнейшее место в ряду антропогенных факторов занимает строительная деятельность человека, охватывающая наиболее поверхностную часть земной коры - грунт.

Существует большое количество трактовок понятия грунт, связанное с разнообразием научных дисциплин, исследующих верхнюю часть земной коры. Грунты с наиболее общей точки зрения - это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека. При проведении инженерно-геологических изысканий и последующем проектировании и строительстве разнообразных объектов необходимо учитывать ряд свойств грунта, среди которых существенное значение имеют явления набухания и пластичности.

Целью данной курсовой работы является влияние на свойства грунта замачивания и высушивания при проведении инженерных строительств разнообразных объектов. Темой этой курсовой работы является изучение физического смысла процессов набухания глинистых грунтов и их практическое значение для инженерно-геологической оценки.

Глава 1. Теоретическое обоснование

набухание пластичность глинистый грунт

1.1 Набухание глинистых грунтов

Под набухаемостью понимается способность дисперсных грунтов увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или растворами. Это свойство связано с гидрофильным характером тонкодисперсной части связных грунтов и большой их удельной поверхностью. Оно обусловлено в основном образованием в грунте слабосвязанной воды.

Набухание глинистых грунтов происходит в результате расклинивающего действия сольватных оболочек связанной воды, образующейся при гидратации глинистых минералов и тонкодисперсных органогенных и органо-минеральных частиц. Расклинивающему действию противостоят силы притяжения, обусловливающие структурные сцепления. Если последнее превышает или равно расклинивающему действию оболочек связанной воды, то набухание не происходит. Если же структурное сцепление меньше величины расклинивающего давления, то грунтовая система стремится перейти в равновесное состояние путем увеличения расстояния между частицами. В этом случае происходит набухание грунта. При этом в грунтовой системе развивается определенное давление, которое называется давлением набухания. Оно может быть обнаружено и измерено с помощью внешней нагрузки. Это давление будет равно той нагрузке, при которой увеличение объема грунта при гидратации наблюдаться не будет.

Ф.Д. Овчаренко (1961) показал, что в основе набухания лежит действие адсорбционных, осмотических и капиллярных сил, определяющих напряжение, с которым вода удерживается в структурированной системе. Роль осмотической составляющей подчеркивается многими исследователями. Причиной осмотических явлений, вызывающих набухание, является разница в концентрации солей в поровом растворе и в воде, окружающей грунт. Если концентрация внешнего раствора меньше концентрации порового, то происходит набухание грунта. Роль этого явления проявляется по-разному в зависимости от минерального состава глинистых грунтов и наиболее ярко проявляется в монтмориллонитовых глинах.

Способность грунтов к набуханию характеризуют рядом показателей: 1) деформацией набухания (R_н), определяемой по относительному изменению объема или высоты при невозможности бокового расширения образца грунта после набухания и выражаемой в процентах или долях единицы; она определяется при свободном набухании грунта или набухании под нагрузкой;

) влажностью набухания (W_Н), выраженной в процентах, соответствующей такому состоянию грунта, при котором прекращается процесс поглощения жидкости;

) давлением набухания (P_н), выраженным в МПа, которое развивается при невозможности объемных деформаций в процессе набухания грунта. По величине деформации свободного набухания и давлению набухания грунты подразделяются на виды (см. таблицу 1).

Классификация набухающих грунтов Таблица 1

При изучении процесса набухания следует иметь в виду, что в результате взаимодействия воды с грунтовыми частицами хотя и наблюдается увеличение объема грунта, но образовавшийся объем меньше простой суммы объемов грунта и воды, вступивших во взаимодействие. Это явление уменьшения суммарного объема в процессе взаимодействия грунта и воды называется контракцией объема. Она определяется как уменьшение объема в кубических сантиметрах, которое проявляется, когда 1 г сухого набухающего вещества вбирает п граммов воды. Контракция объема - вполне ощутимая величина. В частности, для почв она колеблется от 0,16 см³ (подзолистые почвы) до 1,60 см³ (чернозем) на 100 г. Для коллоидов, выделенных из аллювиального суглинка, контракция составляет 2,10, а для коллоидов, выделенных из обыкновенного чернозема - 7,35 см³ на 100 г.

Явление контракции объема грунт + вода можно объяснить образованием связанной воды. При переходе свободной воды в связанном состоянии плотность ее увеличивается, а объем уменьшается. В результате общий объем системы грунт + вода тоже уменьшается. Чем больше образуется в грунте связанной воды, тем больше величина контракции объема.

Основными факторами, определяющими характер набухания грунтов, являются: 1) состав и строение грунта (минеральный и гранулометрический состав, состав обменных катионов, структурно-текстурные особенности, влажность и др.); 2) химический состав и концентрация водного раствора, взаимодействующего с грунтом; 3) величина внешнего давления, под которым находится грунт.

Набухание характерно для связных грунтов. Супеси или совсем не проявляют набухания, или набухают очень слабо. Набухание суглинков и глин возрастает в соответствии с увеличением содержания в них глинистых и особенно коллоидных частиц. Величина набухания воздушно - сухих образцов, сформированных из хвалынских глин, имеющих одинаковую начальную плотность, возрастала, поданным Ж. М. Рогаткиной (1968), от 0 до 37% в соответствии с увеличением содержания глинистых частиц от 1,5 до 88%. С ростом дисперсности грунтов помимо величины набухания увеличивается также время, необходимое для достижения максимальной величины набухания.

Огромное влияние на набухание грунтов оказывает их минеральный состав и главным образом состав глинистых минералов. Минералы, имеющие подвижную кристаллическую решетку (например, группы монтмориллонита), обладают несравненно большей величиной набухания по сравнению с минералами, обладающими жесткой кристаллической решеткой (см. рис.1).

Набухание грунтов сильно изменяется в зависимости от состава обменных катионов, причем их влияние возрастает по мере увеличения емкости обмена. Грунты, у которых поглощающий комплекс насыщен преимущественно двух- и трехвалентными катионами, имеют ограниченное набухание. Наибольшее набухание отмечается у тяжелых глин, содержащих в обменном комплексе в значительном количестве одновалентные катионы. По данным К. К. Гедройца, частицы диаметром меньше 0,25 мк, насыщенные Li+ и Na+, набухали до состояния желатинообразной массы, содержащей до 1000% воды к весу сухой навески.

Рисунок 1                                                 Рисунок 2

Влияние обменных катионов на величину набухания обусловлено в первую очередь тем, что с изменением их состава происходит соответствующее изменение степени дисперсности грунта благодаря различному количеству связанной воды, образующейся в диффузном слое мицеллы. В процессе набухания происходит диспергация грунта, что в свою очередь способствует дальнейшему развитию набухания.

Величина набухания тесно связана с количеством поглощенной воды (см. рис.2). Ее количество уменьшается с возрастанием начальной (естественной) влажности грунта. В связи с этим по мере увеличения значения этого показателя набухание уменьшается. Так, образцы глины апшеронского яруса, отобранные в районе Мингечаурского водохранилища, при начальной влажности 6,2% имели величину объемного набухания 17,4% и влажность набухания 23,8%, а образцы с начальной влажностью в 13% - величину набухания 5% и влажность набухания 19,8%.

Периодическое изменение влажности оказывает большое влияние на набухание грунтов. При циклическом замачивании и высушивании глинистых образцов в каждом последующем цикле подсушивания -замачивания вследствие ослабления структурных связей увеличивается как степень набухания, так и давление набухания. Так, при естественной влажности степень образцов хвалынских глин изменялась от 1 до 8%, а после многократного подсушивания - увлажнения при тех же значениях начальной влажности она возросла до 7,5-16%. Давление набухания в исследованных хвалынских глинах при естественной влажности не превышало 0,5 МПа. В тех же грунтах после их циклического подсушивания увлажнении оно возрастало до 1,0 МПа и более (Рогаткина, 1966).

Величина набухания зависит от характера структурных связей: наибольшее набухание характерно для грунтов с коагуляционным типом контактов (см. рис.3). Нарушение естественной структуры грунтов способствует увеличению набухания. Наиболее резко оно возрастает у грунтов со смешанным и фазовым типами контактов.

Рисунок 3

Величина набухания глинистых грунтов зависит от характера их сложения. С увеличением плотности образцов слаболитифицированных глинистых грунтов деформация и давление набухания возрастали, причем эта зависимость часто имеет линейный характер. Это позволяет путем экстраполяции определить «начальную плотность набухания», при которой набухание грунта исключается. Ее величина неодинакова для глин разного состава, влажности и сложения. Так, для сарматских глин нарушенной структуры она равна 0,95 г/см³, с ненарушенной структурой -

,05 г/см³; для хвалынских глин эти величины соответственно равны 0,85 и 1,00 г/см³ (Сорочан, 1970).

Слоистые глинистые породы часто проявляют анизотропию в процессе набухания. Набухание, как правило, больше по направлению, перпендикулярному слоистости и основной трещиноватости.

Набухание глинистых грунтов также зависит от присутствия солей в растворах, циркулирующих в грунтах, концентрации и величины рН растворов. Химический состав воды в значительной степени определяет состав обменных катионов, а следовательно, и величину набухания грунтов. Кроме того, при наличии одних и тех же солей в природной воде величина набухания грунта будет изменяться в зависимости от их концентрации. Чем больше содержание электролитов в воде, тем менее гидратированы ионы диффузного слоя грунтовых мицелл, тем меньше в грунте образуется связанной воды и, следовательно, тем меньше будет его набухание. Наиболее резко с ростом концентрации внешнего раствора уменьшается набухание Na-монтмориллонитовой глины. По В. С. Шарову (1935), набухание ее в 1 н. растворе NaCl в 10 раз меньше, чем в дистиллированной воде. Максимум набухания этой глины отмечался при концентрации раствора NaCl 0,01 н.

Деформация набухания грунтов зависит от величины внешней пригрузки, действующей на грунт. Ее величина снижается по мере роста пригрузки и особенно сильно - в зоне малых напряжений. Если величина внешней пригрузки равна или больше давления набухания, то деформация набухания не проявляется.

Набухание грунтов является их важным свойством, которое необходимо учитывать при проведении строительных работ и эксплуатации инженерных сооружений. Строителям приходится иметь дело с явлением набухания грунта при вскрытии их выемками, котлованами и т. п., а также при сооружении плотин и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия местности и увеличивается влажность пород за счет вновь поступающей воды. Грунты, слагающие дно и откосы котлованов и выемок, под действием вод (чаще всего атмосферных) могут не только набухать, но и размокать, в результате чего полностью нарушается их естественная структура. В США стоимость повреждений дорог, фундаментов, каналов и водохранилищ только за счет набухания глинистых грунтов достигает ежегодно 2,3 млрд. долларов, что значительно превосходит ущерб, наносимый наводнениями, ураганами и землетрясениями (Cromko. 1974).

.2 Пластичность глинистых грунтов

Под пластичностью грунта понимается его способность под воздействием внешних сил изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после прекращения этого воздействия. Это свойство грунта характеризует возможность проявления в нем остаточных деформаций.

Пластичностью при определенной влажности и небольших давлениях обладают только глинистые и лёссовые грунты, мергели и мел, торф, почвы и некоторые искусственные грунты. В обычных условиях при небольших внешних нагрузках у других типов грунтов она отсутствует.

Пластичность связных грунтов при инженерно-геологических исследованиях характеризуют двумя влажностными показателями: 1) верхним пределом п л а с т и ч н о с т и, или нижним пределом текучести (W_L), представляющим собой граничную влажность, при превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее; 2) нижним пределом пластичности (Wp), также представляющим собой граничную влажность между полутвердым и пластичным состоянием грунта; он характеризует минимальную влажность, при которой частицы способны перемещаться относительно друг друга без нарушения сплошности грунта. Разность в величине влажности грунта при верхнем и нижнем пределах пластичности называется числом пластичности (Mp или Ip по ГОСТ 25 100 - 95). Число пластичности показывает диапазон колебаний влажности, в котором грунт обладает пластическими свойствами. Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт.

Нетрудно заметить, что все эти пределы характеризуют не механические свойства грунтов при пластичном их состоянии, а свойства слагающих их минералов при некоторых значениях влажности. Следовательно, применяемые пределы пластичности, представляющие собой пределы влажности, являются условными косвенными показателями пластичности грунтов. Пластичность связных грунтов определяется составом и свойствами как твердых частиц грунта, так и взаимодействующей с ними жидкости.

Рисунок 4

К числу факторов первой группы относятся гранулометрический и минеральный составы, форма частиц, состав обменных катионов. Свойства жидкой компоненты и влияние на пластичность определяются ее химическим составом и концентрацией растворенных веществ.

Гранулометрический состав является одним из важнейших факторов, влияющих на пластичность грунтов. Эта зависимость изучена очень хорошо. Можно считать установленным, что пластичные свойства начинают проявляться у частиц диаметром меньше 5 мкм. По данным П. Ф. Мельникова, у фракции 3-2 мкм пластичность выражена слабо. Частицы размером 2-1 мкм имеют небольшую пластичность. У частиц менее 1 мкм величина пластичности уже значительная. Она очень сильно зависит от дисперсности глинистой фракции и возрастает пропорционально увеличению содержания в ней коллоидов. Особенно сильно она увеличивается в присутствии органических коллоидов.

Из всех показателей, характеризующих пластичность грунта, верхний предел пластичности наиболее тесно связан с его гранулометрическим составом. Зависимость величины верхнего предела пластичности от содержания в грунте глинистых частиц в пределах до 35% показана на рисунке 4. Столь тесной связи между гранулометрическим составом и нижним пределом пластичности (границей раскатывания в шнур) не наблюдается. Минеральный состав грунтов также в значительной степени определяет их пластичность, так как различные минералы неодинаково взаимодействуют с водой (см. табл. 2). Кроме того, от строения кристаллических решеток минералов зависит форма частиц, которая в свою очередь оказывает влияние на величину пластичности. Наибольшей пластичностью обладают минералы, у которых частицы имеют пластинчатую, чешуйчатую форму. Это дало основание ряду исследователей (Аттерберг, Терцаги и др.) считать, что пластинчатая форма частиц является основным фактором, определяющим пластичность грунтов. Конечно, форма частиц может влиять на их перемещение под нагрузкой, затрудняя или облегчая его, но она все-таки не является важнейшим фактором, определяющим величину пластичности.

Пластичность частиц различного минерального состава. Таблица 2

Минеральный состав грунтов влияет на величину пластичности совокупностью целого ряда факторов. Исследования, проведенные Е. М. Сергеевым на смесях различного минерального состава, показывают, что величина пластичности грунтов больше в том случае, когда в их глинистой фракции содержатся минералы группы монтмориллонита, и меньше при содержании каолинита. Увеличение пластичности в случае присутствия в грунте минералов группы монтмориллонита связано со значительным возрастанием дисперсности и гидрофильности грунта.

Существенное влияние на пластичность связных грунтов оказывает состав обменных катионов. По своей способности увеличивать пластичные свойства грунтов наиболее часто встречаемые катионы располагаются в следующей последовательности:

+> Na+ > К+ > Mg²+ > Са²+ > Н+>Fe³+>Al³+.

Эта закономерность соответствует изменению содержания слабосвязанной воды и дисперсности грунтов, которая наблюдается при замещении одних катионов на другие. Влияние на пластичность обменных катионов в пределах одной валентности определяется их гидратационной способностью. Чем больше степень гидратации катионов, тем в большей мере проявляется пластичность грунтов. Пластичность повышается также при увеличении емкости поглощения грунта.

Существенное влияние на пластичность связных грунтов оказывают состав и концентрация водного раствора, с которым взаимодействует грунт. Это обусловлено тем, что состав растворенных в воде соединений влияет на состав обменных катионов в грунтах, которые, как показано выше, влияют на пластичность грунтов, a концентрация раствора во многом определяет толщину диффузионного слоя. Данные (табл. 3) показывают, что присутствие значительного количества солей понижает пределы пластичности грунтов, причем особенно сильно у высокодисперсного грунта (монтмориллонит). Число пластичности каолиновой и монтмориллонитовой (асканглина) глин значительно ниже при использовании в качестве дисперсионной среды трехнормального раствора NaCl, чем при определении с помощью дистиллированной воды. Это наблюдалось во всех случаях независимо от состава обменных катионов. Уменьшение пластичности грунтов при большой концентрации солей связано с процессом дегидратации и агрегации грунтовых частиц, сопровождаемых уменьшением диффузного слоя грунтовых мицелл и, естественно, уменьшением содержания слабосвязанной воды в грунтах.

Изменение пределов пластичности глин в зависимости от концентрации NaCl (по данным И. В. Попова) Таблица 3

Для определения пределов пластичности применяют различные методы, которые можно подразделить на прямые и косвенные. Первые основаны на непосредственном измерении величины пластических деформаций грунта, вторые - на определении диапазона влажности, в котором проявляются его пластические свойства. В настоящее время наиболее

Классификация глинистых грунтов по числу Пластичности (ГОСТ 25 100 - 95) Таблица 4

Величина числа пластичности выражена в процентах. В ГОСТ 25 100 - 95 она приводится в долях единицы

широко применяются косвенные методы. Применительно к этим методам разработаны классификации связных грунтов по пластичности (табл. 4) и консистенции (табл. 5), вошедшие в Строительные нормы и правила (ГОСТ 25 100 - 95).

Следует иметь в виду, что подобное подразделение грунтов на гранулометрические виды по числу пластичности является весьма условным, так как пластичность связных грунтов зависит, как показано выше, не только от дисперсности, но и от минерального состава, состава обменных катионов и других факторов. Поэтому составлять единую для всех грунтов классификацию, подобную классификации ГОСТ 25 100 - 95, в принципе неверно. К этому вопросу необходимо подходить строго дифференцированно, с учетом региональных особенностей химико-минерального состава связных грунтов.

Сопоставление пределов пластичности и естественной влажности грунтов позволяет ориентировочно судить в каком состоянии они находятся в естественном залегании. Если их влажность не превышает нижний предел пластичности, то грунты находятся в твердой, консистенции. При изменении естественной влажности в диапазоне нижний - верхний пределы пластичности грунты имеют пластичную консистенцию. Если влажность грунта превышает величину верхнего предела пластичности, то он находится в текучей консистенции. Очевидно, что при таком сравнении не учитывается уменьшение прочности грунтов, вызываемое разрушением естественных структурных связей в процессе перемятия образца глинистой породы при определении пределов пластичности.

Это приводит к недоиспользованию прочности грунтов в естественном состоянии. Н. Я. Денисов указывает, что майкопская, юрская и многие другие глины при практически полном заполнении их пор водой (влажность 25-35%) в природном, ненарушенном состоянии производят впечатление твердых благодаря наличию сцепления упрочнения. При изучении тех же глин с нарушенным (при бурении) строением они описываются уже как пластичные. Приведенный пример хорошо показывает, что грунты, отнесенные на основании сравнения их естественной влажности с пределами пластичности к пластичным или даже текучим, в условиях естественного залегания могут оказаться «твердыми». Однако при нарушении их естественной структуры они перейдут в пластичное или даже текучее состояние без изменения влажности. В этих случаях целесообразно говорить о скрытопластичной и скрытотекучей консистенции связных грунтов.

Наименование связных грунтов по величине показателя консистенции (по ГОСТУ 25 100 - 95) Таблица 5

В инженерно-геологической практике для приближенной оценки консистенции связных грунтов широко применяют показатель консистенции (ГОСТ 25 100 - 95), который рассчитывается по формуле:=W-Wp/Ip (1)

В зависимости от величины этого показателя связные грунты подразделяются в соответствии с классификацией ГОСТ 25 100 - 95 на ряд групп (см. табл. 5).

Число пластичности используется также для расчета показателя пластичности глинистой фракции (по В. А. Приклонскому,1949) или коллоидной активности (по Скемптону, 1953):

Кp=Ip/Mc, (2)

где Mc - процентное содержание глинистых частиц (d<0,005 мм).

Глава 2. Методика проведения исследований

.1 Определение набухания глинистых грунтов (Прибор ПНГ)

Прибор ПНГ состоит из металлического кольца с насадкой, заточенной, с одного конца. Кольцо с исследуемым грунтом плотно надевается на перфорированное донце-диск, к которому прикреплена скоба, удерживающая кольцо в строго фиксированном положении и являющаяся опорой для индикатора деформаций. Ножка индикатора опускается до упора в верхний подвижной перфорированный поршень-штамп. Прибор помещается в ванночку, в которую заливается вода или исследуемый раствор.

Необходимое оборудование: прибор ПНГ; шаблон для вырезания образца; стеклянный бюкс; технические весы; сушильный шкаф; часы; бумажные фильтры (2 шт.), соответствующие диаметру образца; монолитный нож.

Последовательность определения.

. С помощью монолитного ножа образец грунта вырезается режущим кольцом в соответствии с требованиями ГОСТа 25 100 - 95 при этом зазоры между грунтом и стенкой рабочего кольца не допускаются. Для испытываемого грунта должны быть определены плотность, плотность минеральной части, исходная влажность, границы текучести и раскатывания по ГОСТу 25 100 - 95, а также гранулометрический состав. Все исходные параметры заносятся в журнал испытаний.

. С помощью шаблона часть образца выдавливается из насадки и срезается ножом так, что высота образца (исходная) оказывается равной 10 мм. С двух сторон образец покрывается фильтровальной бумагой и устанавливается на донце прибора. Сверху в насадку устанавливается штамп и укрепляется скоба.

. С помощью винта устанавливают индикатор в нулевое положение. Собранный прибор аккуратно опускают в ванночку, и прибор устанавливают на жесткое основание.

. В ванночку заливают воду (или исследуемый раствор) и фиксируют время начала опыта. Воду наливают до уровня затопления донца и следят за постоянством уровня, периодически доливая воду. После замачивания образца регистрируются деформации через 5, 10, 30, 60 мин и далее через 2 ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до достижения условной стабилизации деформаций. В случае отсутствия набухания замачивание производят в течение 3 суток. За начало набухания принимается относительная деформация, превышающая 0,001. За критерий условной стабилизации деформаций свободного набухания принимается абсолютная деформация не более 0,01 мм за 16 ч. Все данные измерений заносятся в журнал.

. По окончании опыта прибор разбирают, воду сливают, кольцо с влажным грунтом (без фильтров) взвешивают и производят контрольное измерение высоты образца грунта в кольце. Берут пробу на влажность, которую высушивают в термостате при температуре 105±2°.

Обработка результатов. По результатам проведенных измерений рассчитывается абсолютная деформация набухания ∆h (в мм) и относительная деформация образца б= ∆h/hо (в долях ед. с погрешностью 0,001 для каждого момента времени). По конечному значению б определяется величина свободного набухания (б₀). Строится график зависимости относительной деформации от времени набухания образца. Значение влажности грунта после набухания заносится в журнал.

2.2 Определение верхнего предела пластичности (Методом балансирного конуса)

Влажностью верхнего предела пластичности или границей текучести W_L, глинистого грунта называется влажность, выраженная в процентах, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние. Величина W_L глинистых грунтов обычно близка к влажности их свободного набухания Wн, но несколько ниже этого показа теля. Как и влажность нижнего предела пластичности, W_P, граница текучести W_L является характеристической влажностью данного грунта, отражающей наличие в нем определенных категорий влаги и проявление пластических свойств в интервале от W_P до W_L.

Величина влажности верхнего предела пластичности W_L используется для оценки числа пластичности I_P=W_L-W_P, степени текучести (показателя консистенции) I_L=(W-Wp)/(W_L-W_P), оценки расчетных сопротивлений грунтов и устойчивости грунтов в котлованах, выемках и т. п., а также для косвенной характеристики минерального состава, дисперсности и ряда физико-химических свойств, используемых в инженерно-геологических исследованиях.

Влажность верхнего предела пластичности W_L определяется ударным способом в чашке по Аттербергу, на специальном кулачковом приборе Казагранде, а также по методу A.M. Васильева (1949) с помощью балансирного конуса (по ГОСТу 25 100 - 95), описание которого дается ниже. Последний метод применим для определения W_L любых несце- ментированных грунтов, за исключением тех, которые содержат значительное количество растительных остатков (торфа, перегноя и т. п.).

Необходимое оборудование. Для проведения испытаний применяется стандартный балансирный конус общей массой 76 г с углом при вершине 30°, габариты которого показаны. Для того чтобы конус поставленный за ручку на поверхность грунта, не падал в сторону и погружался бы в грунт строго вертикально, он имеет специальное балансирное приспособление. Кроме того, необходимо иметь: технические весы с разновесами, сушильный шкаф, эксикатор, фарфоровую чашку, стаканчик для пробы грунта диаметром не менее 4 см и высотой не менее 2 см, шпатель, бюксы, cиto с отверстиями 0,5 мм.

Последовательность определения W_L.

. Образец грунта объемом около 5 см³ при естественной влажности размять шпателем или размельчить пестиком в фарфоровой чашке и затем протереть или просеять (в зависимости от влажности.) сквозь сито с. отверстиями 0,5 мм.

. Подготовленный грунт перенести в чашку и увлажнить дистиллированной водой до состояния густого теста при одновременном перемешивании шпателем. Затем чашку с грунтом закрыть плотно крышкой или поместить в эксикатор, на дно которого налита вода, и оставить в таком состоянии на 24ч для равномерного увлажнения всех частиц грунта.

.Грунтовую массу ещё раз тщательно перемешать шпателем и заполнить ею стаканчик. Поверхность грунта в стаканчике заровнять шпателем вровень с краями, при этом необходимо следить, чтобы при заполнении стаканчика в грунтовой массе не образовывалось пустот.

. Поднести к выровненной поверхности грунта острие балансирного конуса и, опустив конус (без броска), дать ему в течение 5с свободно погружаться в грунтовое тесто под влиянием собственной массы.

. В случае погружения конуса за 5с на глубину, превышающую 10 мм, влажность образца превышает W_L. В этом случае грунт вынимают из стаканчика снова в чашку и подсушивают на воздухе, перемешивая шпателем. Затем снова повторяют операции, указанные в п. 3 и 4.

. Когда искомая влажность верхнего предела пластичности достигнута, из стаканчика берут пробу (массой не менее 10 г) и определяют обычным способом ее весовую влажность, которая и является W_L. Взвешивание бюксов ведут на технических весах с точностью до 0,01 г, а вычисления W_L - с точностью до 1%. При W_L< 30% влажность вычисляется с точностью до 0,1%. Для каждого образца грунта проводится не менее двух параллельных определений, по результатам которых рассчитывается среднее арифметическое значение. Расхождение в результатах параллельных определений допускается не более 2%. При W_L≥80% расхождение допускается до 4%. Все данные опыта заносятся в журнал.

.3 Определение нижнего предела пластичности (Методом раскатывания в шнур)

Влажностью нижнего предела пластичности, или границей раскатывания W_P, называется влажность, выраженная в процентах, при которой глинистый грунт переходит из твердого в пластичное состояние. Величина W_P обычно несколько превышает влажность максимальной молекулярной влагоемкости W_MMB. Этот показатель, так же как и влажность верхнего предела пластичности (граница текучести) W_L, является характеристической влажностью, или пределом, отражающим наличие в глинистом грунте определенных категорий влаги и проявление пластических свойств, которые характерны для глинистых грунтов (глин, суглинков и супесей). Нижний предел пластичности W_p используется для расчета числа пластичности Ip=W_L-W_P, показателя консистенции (или степени текучести) I_L=(W-W_P)/M_P, при классификации глинистых грунтов, определении расчетных сопротивлений грунтов, а также для косвенной оценки их минерального состава, дисперсности и ряда физико-химических свойств, что наряду с физико-химических свойств, что с простотой его определения обусловливает широкое применение этого показателя инженерно-геологических исследованиях. Необходимо при этом отметить, что величина W_P отражает проявление пластических свойств грунта в состоянии нарушенной структуры.

простотой его определения обусловливает широкое применение этого показателя инженерно-геологических исследованиях. Необходимо при этом отметить, что величина W_P отражает проявление пластических свойств грунта в состоянии нарушенной структуры.

Для определения W_P предложено много различных методов, среди которых наибольшее распространение получил метод раскатывания в шнур по 25 100 - 95. В соответствии с ГОСТом данный метод определения W_P применяется для всех связных грунтов, за исключением тех, которые, содержат много растительных остатков - торфа, перегноя, корней растений и т. д.

Необходимое оборудование. Для определения W_P необходимо иметь: сито с отверстиями 1 мм, фарфоровую чашку, шпатель, деревянную пластинку с гладкой поверхностью, бюкс, технические весы с разновесами, сушильный шкаф.

Последовательность определения W_P.

. Образец грунта объемом около 50 см³ при естественной влажности размять шпателем или резиновым пестиком, после чего протереть или просеять (в зависимости от влажности) через сито с отверстиями 1 мм.

. Перенести грунт в фарфоровую чашку и увлажнить дистиллированной водой до состояния густого теста, одновременно перемешивая грунт. Затем чашку с грунтом закрыть плотно крышкой или поместить в эксикатор, на дно которого налита вода, и оставить в таком положении не менее чем на 2 ч для равномерного увлажнения всех частиц грунта.

. Образец в чашке еще раз перемешать, взять из него небольшой кусочек, перемять и раскатать на гладкой деревянной дощечке (или на ладони) до образования жгута диаметром около 3; мм. Если при такой толщине жгут не крошится и не покрывается трещинами, то смять его, перемешать и вновь раскатать до требуемой толщины. Раскатывание проводить, слегка нажимая на жгут.

. Искомый нижний предел пластичности считается найденным, когда жгут толщиной около 3 мм начнет покрываться по всей длине поперечными трещинками и крошиться. Если при любом увлажнении из анализируемого грунта невозможно раскатать жгут толщиной около 3 мм, то считается, что данный грунт не обладает нижним пределом пластичности.

. Подобранные таким образом кусочки жгута собирают в заранее взвешенный бюкс в количестве не менее 10 г и затем определяют их весовую влажность. Взвешивание производят с точностью до 0,01 г, влажность рассчитывается с точностью до 1%, а при влажности менее 30% - С ТОЧНОСТЬЮ ДО 0,1%.

. Для каждого образца необходимо провести не менее двух параллельных определений. За влажность нижнего предела пластичности (границы раскатывания) образца W_P принимают среднее арифметическое значение по результатам параллельных определений, расхождение в которых не должно превышать 2%. При W_P>40% допускается разница между результатами параллельных определений 4%. Результаты определения заносятся в журнал.

Глава 3. Расчётная часть

.        Данные опыта с первым образцом.

Расчёт набухания глинистых грунтов:

1)      Расчёт степени набухания по изменению образца:=

)        Расчёт степени набухания по высоте:

Rh=  

3)      Расчёт степени набухания по изменению веса:

Rg=

График изменения h образца 1 с течением времени(график 1).

График 1

2.       Данные опыта со вторым образцом.

)        Расчёт степени набухания по изменению образца:=

)        Расчёт степени набухания по высоте:

Rh=  

3)      Расчёт степени набухания по изменению веса:

Rg=

График изменения h образца 2 с течением времени (график 2).

График 2

3.       Данные опыта с третьим образцом.

)        Расчёт степени набухания по изменению образца:

Rv =

2)      Расчёт степени набухания по высоте:

Rh=  

3)      Расчёт степени набухания по изменению веса:

Rg=

График 3

График изменения h образца 3 с течением времени (график 3).

1.       Данные опыта с первым образцом.

Расчёт влажности верхнего предела пластичности глинистых грунтов (WL):

Влажность грунта WL=, где- вес пустого бюкса, (г)- вес бюкса с грунтом до высушки, (г)- вес бюкса c грунтом после высушки, (г).= 24,57%

.        Данные опыта со вторым образцом.==25%

.        Данные опыта с третьим образцом.== 49%

.        Данные опыта с первым образцом.

Расчёт влажности нижнего предела пластичности глинистых грунтов (Wp):

Влажность грунта Wp==16%

.        Данные опыта с третьим образцом.== 27%

Расчёт числа пластичности глинистых грунтов:=W_L-W_{P, (%)}

1.       Данные опыта с первым образцом.=24,57 - 16 = 8,57% - грунт является суглинком, т.к. Ip= 7-17%

.        Данные опыта со вторым образцом.=25 - 19 = 6% - грунт является супесью, т.к. Ip<7%

.        Данные опыта с третьим образцом.=49 - 27 = 22% - грунт является глиной, т.к. Ip>17%

Глава 4. Анализ полученных результатов

Из анализа полученных данных следует:

. Первый образец грунта по числу пластичности является суглинком.

Все данные оказывают влияние на набухание глинистого грунта. Исходя из проведения опыта, образец является ненабухающим, т.к. величина свободного набухания равна 0,2%.

.Второй образец грунта по числу пластичности является супесью.

Все данные оказывают влияние на набухание глинистого грунта. Исходя из проведения опыта, образец является ненабухающим, т.к. величина свободного набухания равна 1,2%

.Третий образец грунта по числу пластичности является глиной.

Эти данные оказывают влияние на набухание глинистого грунта. Исходя из проведения опыта, образец является сильнонабухающим, т.к. величина свободного набухания равна 21,7%

Зависимость числа пластичности (верхнего и нижнего пределов) от набухания (график 4).

График 4

Проанализировав полученные данные можно сделать вывод: грунты, имеющие высокие и низкие показатели числа пластичности, (которые были получены опытным путём и сопоставлены с теоретическими данными в ходе выполнения курсовой работы) - набухаемость глинистого грунта зависит от показателя числа пластичности у суглинков, супесей и глин набухаемость прямо зависит от числа пластичности.

Заключение

По ходу выполнения курсовой работы были определены показатели: набухаемости и числа пластичности глинистых грунтов. Получили суглинок и супесь ненабухающие и глину набухающую.

Эти физико- химические свойства грунта оказывают большое влияние на физический смысл процессов набухания от числа пластичности и на практику проведения оценки инженерно- геологических работ при эксплуатации данного грунта.

Список используемой литературы

1.       Сергеев Е.М. Грунтоведение: учебник / Е.М. Сергеев. - М.: Изд-во МГУ, 2008. - 398 с.

.        Трофимов В.Т. Грунтоведение: учебник / В.Т. Трофимов. - М.: Изд-во МГУ, 2011.- 715 с.

.        Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механики грунтов /Е. М. Чаповский. М.: Недра, 1975.- 370 с.

.        Ломтадзе В.Д. Инженерная геология (инженерная петрология) / В. Д. Ломтадзе. -Л.:Недра, 2010. - 380 с.

.        http://www.geoda.ru/library/geology/geology21/