2 Л 3 9 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра «Строительство и эксплуатация дорог» Ю.Г.Бабаскин ДОРОЖНОЕ ГРУНТОВЕДЕНИЕ И МЕХАНИКА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДОРОГ Учебное пособие М и н с к 2 0 0 1 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра «Строительство и эксплуатация дорог» Ю.Г.Бабаскин ДОРОЖНОЕ ГРУНТОВЕДЕНИЕ И МЕХАНИКА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДОРОГ Учебное пособие Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов специальности «Строительство дорог и транспортных объектов» высших учебных заведений М и н с к 2 0 0 1 УДК 625.731+625^34444а4гВЬ4](075.8) иж-ад-311— Б 12 Рецензенты: кафедра транспорта леса Белорусского государственного технологического университета; д.т.н., проф. В.НЛромко Бабаскин Ю.Г. Б 12 Дорожное грунтоведение и механика земляного псяотна дорог: Учеб. посо- бие / Ю.Г.Бабаскин. - Мн.: БГПА, 2001. - 223 с. JSBN 985-6529-34-4 Цель данного издания - оказание помощи студентам специаль- ности Т. 19.03 - «Строительство дорог и транспортных объектов» при изучении дисциплины «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог». Учебное пособие дает теоретический материал к выполнению лабораторных работ по трем разделам кур- са - «Общая геология» (1-я - 8-я лабораторные работы), «Физиче- ские свойства горных пород» (9-я - 26-я лабораторные работы) и «Механические свойства горных пород» (27-я - 30-я лабораторные работы); включает вопросы инженерной геологии, дорожного грун- товедения и механики земляного полотна дорог; содержит описание основных свойств горных пород, методики их определения, особен- ностей приборов и оборудования по испытанию грунтов, обработке и анализу экспериментальных результатов. Приводятся примеры использования физико-механических свойств грунтов при решении инженерных задач. УДК 625.731+625.731.2:624.131,4](075.8) ББК 39.311 JSBN 985-6529-34-4 © Бабаскин Ю.Г., 2001 В в е д е н и е При решении вопросов, связанных со строительством, мало знать особенности горных пород, - необходим широкий круг сведений о гео- логическом строении территории, процессах, которые уже протекают или могут начаться в результате строительства, изменения гидрогеоло- гических условий и т.д. Все эта вопросы изучает инженерная геология. Инженерная геология - это наука о геологической среде, ее ра- циональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяй- ственной деятельностью человека. Под геологической средой следу- ет понимать любые горные породы и почвы, которые слагают верх- нюю часть литосферы, рассматриваемые как многокомпонентные системы. Одним из разделов инженерной геологии является «Грунтоведе- ние», задача которого - изучение свойств различных грунтов, разра- ботка методов их улучшения, повышения их прочности в связи с использованием в различных видах строительства. Работа грунта в дорожных сооружениях протекает в сложной природной обстановке. Земляное полотно автомобильных дорог находится в пределах зоны сезонных колебаний температуры и влажности, в результате чего прочность грунтов земляного полотна не постоянна. В то же время следует иметь в виду, что стоимость земляного полотна автомобильной дороги достигает 20...30% ее общей стоимости, а на подземную часть конструкции автодорожно- го моста приходится до 30% его стоимости и до 40% общего време- ни строительства. Поэтому весьма важно иметь сведения о генезисе, возрасте, петрографическом составе горных пород, их физических, водных и механических свойствах Земляное полотно является важнейшим конструктивным элемен- том дороги, от которого во многом зависят ее прочность, устойчи- вость и долговечность. Оно воспринимает временные динамические нагрузки от проходящих транспортных средств, постоянные на- грузки от веса дорожной одежды или верхнего строения пути, а также собственного веса. Определение характеристик и свойств горных пород должно прово- диться с соблюдением требований норм, правил и стандартов. В связи 3 с этим особое внимание должно быть уделено классификации орных пород с учетом новых документов: СТБ 943-93; ГОСТ 5180-84; ГОСТ 12248-96; ГОСТ 22733-77; ГОСТ 24143-80; ГОСТ 25584-90; ГОСТ 30416-96 и др. Лабораторные работы сгруппированы в соответствии с тремя крупными разделами программы по инженерному грунтоведению; 1. Общая геология. 2. Физические свойства горных пород. 3. Механические свойства горных пород. В лабораторных работах, относящихся к первому разделу, рас- сматриваются темы, связанные с изучением физических свойств минералов, их классов, классификацией силикатов, основных видов магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Дает- ся понятие о важнейшем инженерном термине горных пород - грунте; представлена его классификация согласно стандарту Рес- публики Беларусь. В лабораторных работах по второму разделу раскрываются те- мы, связанные с определением вида грунта (косвенными и прямыми методами); влажности грунта; плотности дисперсного, сухого грун- та и его частиц; максимальной плотности и оптимальной влажно- сти; коэффициентов внутреннего трения и фильтрации; пластично- сти; размокания и набухания глинистых пород; содержания орга- нических материалов в грунтах. Работы по заключительному разделу составлены на основе изу- чения таких тем, как определение модулей деформации и упруго- сти, компрессионных характеристик, сдвиговых показателей глини- стых и песчаных грунтов. В зависимости от объема курса в план проведения лабораторных занятий могут быть включены все описанные работы либо часть их. Знания, полученные при изучении дисциплины «Дорожное грун- товедение и механика земляного полотна дорог», необходимы для последующего освоения курсов «Проектирование дорог», «Техноло- гия строительства дорог», «Эксплуатация дорог». Учебное пособие ориентировано на программу курса по специ- альности Т19.03-«Строительство дорог и транспортных объектов». Структура пособия соответствует требованиям изучения дисциплин 4 «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог» и «Инженерная геология». В списке литературы приводятся многочисленные литературные источники: учебники, учебные пособия, нормативные документы. Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Строи- тельство и эксплуатация дорог» И.И.Леоновичу за методическую помощь в подготовке издания и критические замечания, а также рецензентам - проф., д.т.н, Н.П.Вырко и проф., д.т.н. В.Н.Яромко за советы по улучшению содержания рукописи. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ Цель работы: 1. Изучение основных физических свойств минералов. 2, Определение физических свойств выданного минерала. Аппаратура: Коллекция минералов, увеличительное стекло, фарфоровая плитка, шкала твердости Мооса, стеклянный стакан, лабораторные весы, разновесы, компас. 1,1. Общая геология Земля имеет сложную форму геоида, центрально-симметричное строение, состоит из нескольких геосфер. Тепловой режим Земли обуславливается солнечной радиацией (95%) и энергией распада радиоактивных веществ в недрах Земли. Земная кора состоит из различных горных пород и минералов Минералы - это природные химические соединения или само- родные элементы, возникшие в результате разнообразных физико- химических процессов, происходящих в земной коре и на ее по- верхности. 5 Большинство минералов являются твердыми веществами, часть из них находится в жидком состоянии (ртуть). Твердые минералы чаще всего имеют кристаллическое строение: составляющие их частицы располагаются в строго определенном порядке, образуя кристалличе- скую решетку'. Встречаются и аморфные минералы (опал, лимонит), частицы которых располагаются в беспорядке. Совокупность минералов одинаковой кристаллической структуры и одинакового (в пределах допускаемых отклонений) химического соста- ва образует минеральный вид Современная минералогическая система- тика насчитывает свыше 2800 минеральных видов. Основную массу горных пород составляют около 100 минералов, - их называют породо- образующими, в то время как общее число минералов и их разновидно- стей, известных науке, приближается к 3500. Горные породы - это естественные агрегаты различных минера- лов, возникшие в земной коре в результате затвердения природных силикатных расплавов, накопления осадков и преобразования ранее существовавших горных пород в процессе метаморфизма. По условиям и способу образования все горные породы делятся на магматические, метаморфические и осадочные. Магматические породы имеют с точки зрения использования их в строительстве много общего между собой. Общность их физико- механических свойств обусловлена наличием кристаллизационных связей между минеральными зернами, возникших в процессе фор- мирования породы. Все магматические породы в ненарушенном состоянии имеют высокую прочность, водонепроницаемость и не- растворимость в воде, благодаря чему широко используются в каче- стве оснований сооружений. Физико-механические свойства метаморфических горных пород во многом близки к магматическим, что обусловлено наличием у них жестких, преимущественно кристаллизационных связей. Мета- морфические породы практически водонепроницаемы (за исключе- нием карбонатных разновидностей), не растворимы в воде. Дефор- мируемость и фильтрация этих пород возможны только по трещи- нам. Однако метаморфические породы обладают отличительными особенностями, заключающимися в анизотропности пород, обу- словленной сланцеватостью. л KJ Осадочные породы, входящие в состав четвертичных отложений, располагаются в верхних слоях земной коры и служат основанием для инженерных сооружений и источником получения дорожно- строительных материалов (щебня, гравия, песка). Дня инженеров строительных специальностей этот вид горных пород является весьма важным и требует кропотливого и всестороннего изучения. Верхние слои осадочных пород можно рассматривать как грунты, которые представляют собой многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени и используемые как основания, среда или материал при строи- тельстве. Классификацию грунтов следует рассматривать в соответст- вии со стандартом Республики Беларусь (СТБ 943-93), распростра- няющимся на все грунты, применяемые при инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве. Геологическое строение земной коры можно изучать по геологи- ческим картам, которые позволяют понять геологическое устройст- во поверхности Земли и составить представление о строении земной коры на той или иной глубине. 1.2. Основные свойства минералов Главными физическими свойствами минералов являются: 1) цвет; 2) цвет черты (цвет минерала в порошке); 3) прозрачность; 4) блеск; 5) излом; 6) спайность; 7) твердость; 8) плотность и др. Цвет. Минералы могут иметь самую разнообразную окраску, оттенки, быть бесцветными. Окраска зависит, главным образом, от химического состава самого минерала и от примесей (железо, ни- кель, кобальт, титан, уран, медь, хром и др). Некоторые минералы меняют окраску в зависимости от освещенности. Например, мине- рал Лабрадор при некоторых углах поворота приобретает синюю, серую или зеленую окраску, вызванную присутствием тончайших пленочек минерала ильменита (FeTiOs). Иногда кроме основной окраски минерала тонкая поверхностная пленка имеет дополни- тельную. Это явление называется побежалостью и объясняется интерференцией света в тонких слоях. Цвет минерала определяется визуально, путем поворота минера- ла под различными углами освещения искусственного или естест- венного источника света. 7 Цвет черты (цвет в порошке). Многие минералы в растертом виде имеют другой цвет, чем в куске. Порошок можно получить, проводя куском минерала черту на белой шероховатой фарфоровой пластинке при условии, что твердость его меньше твердости фарфо- ра. Под микроскопом в отраженном свете цвет минеральных зерен резко отличается от цвета в куске. В ряде случаев цвет минерала в порошке является важным диаг- ностическим признаком. Например, красный, бурый и магнитный железняк в кусках часто имеют одинаковый цвет, а цвет черты у них соответственно красный, желтый и черный. Блеск минералов зависит от показателя их преломления и спо- собности отражать от своей поверхности свет. По блеску все мине- ралы можно разделить на три группы: 1) минералы с металлическим блеском; 2) минералы с полуметаллическим блеском; 3) минералы с неметаллическим блеском. Металлический блеск - сильный блеск, свойственный металлам. Им обладают непрозрачные минералы, дающие в большинстве слу- чаев черную черту на фарфоровой пластинке. Такой блеск имеют самородные металлы (золото, серебро, платина), многие сульфиды и окислы железа. Полуметаллическим блеском обладают минералы, поверхность которых имеет блеск потускневшей поверхности металла (графит, гематит). Неметаллический блеск подразделяется на: стеклянный - напоминающий блеск поверхности стекла (кварц, кальцит, гипс); жирный - поверхность минерала кажется как бы смазанной мас- лом (сера, нефелин, серпентин); перламутровый - у прозрачных минералов, которые блестят, как поверхность перламутровой раковины (слюда, тальк); шелковистый - при тонковолокнистом строении минерала; на- поминает блеск шелковых нитей (асбест); алмазный - у минералов с высоким показателем преломления света (алмаз); 8 матовый - у минералов с пористой, неровной землистой по- верхностью (каолинит). Прозрачность - способность минерала пропускать свет. По сте- пени прозрачности минералы делятся на: прозрачные - пропускающие свет подобно оконному стеклу (горный хрусталь, каменная соль, топаз); полупрозрачные - через которые видны лишь очертания предме- тов (халцедон, опал); просвечивающие - пропускающие свет только в очень тонких пластинках (полевые шпаты); непрозрачные - через которые свет совсем не пррходит (пирит, магнетит). Излом - образуется при раскалывании минерала. Поверхность излома может быть: раковистой - имеет вид вогнутой и концентрически-волнистой поверхности, напоминающей поверхность раковин (горный хру- сталь); занозистой - покрыта ориентированными в одном направлении занозами (гипс, роговая обманка): неровной - имеет плоскость с неопределенно выраженной по- верхностью (нефелин), землистой - матовая шероховатая поверхность (каолинит, лимо- нит); зернистой - встречается у минеральных агрегатов. Спайность - способность минералов раскалываться или расще- пляться по блестящим параллельным плоскостям. Различают пять видов спайности: весьма совершенная - когда минерал очень легко (например, ногтем) расщепляется на отдельные тончайшие пластинки (слюда, гипс, хлорит); совершенная - минерал раскалывается при слабом ударе молот- ком на гладкие параллельные пластинки (каменная соль, кальцит); средняя - при расколе минерала образуются как плоскости спайно- сти, так и поверхности с неровным изломом (оливин, полевой шпат); несовершенная - при расколе минерала преобладают поверхно- сти с неправильным изломом (апатит); 9 весьма несовершенная - минералы дают только незакономерные поверхности излома (золото). Твердость - степень сопротивления минерала внешним механи- ческим воздействиям (резанию, истиранию). В лабораторных усло- виях абсолютную величину твердости определяют на специальных приборах - твердомерах. В полевых условиях и на производстве используется шкала твердостей австрийского минеролога Мооса (разработанная в 1820 г.) (табл. 1.1), в которой используются мине- ралы с известной и постоянной твердостью, расположенные в по- рядке возрастания твердости так, что каждый предыдущий минерал царапается последующим. Т а б л и ц а 1.1 Шкала твердости Мооса Твер- дость Название Химическая формула Визуальные признаки 1 Тальк MfefOHWSuOiol честится 2 Гипс Са80д • 2Н,0 ногтем 3 Кальцит СаСОз 4 Флюорит (плавиковый шпат) CaF3 чертится ножом 5 Апатит Ca5(F, С1)(Р04)з 6 Ортоклаз (полевой шпат) K[AlSi3Os] царапается 7 Кварц Si02 стеклом 8 Топаз A12(F, 0H)2[Si04] режет 9 Корунд A1203 10 Алмаз г стекло При определении твердости минерала проводят черту на его свежей поверхности осгрым углом минерала-эталона из шкалы твердости. Магнитпость определяется при помощи магнитной стрелки, притягиваемой или отталкиваемой при поднесении к ней магнит- ных минералов (магнетит, платина). 10 Плотность - масса вещества в единице объема. Лед с плотно- стью 0,916 г/см3 является самым легким кристаллом; невьянскит (осмистый иридий) и сыссертскит (иридистый осмий) с плотностя- ми соответственно 21,5 и 22,5 г/см3 - самыми тяжелыми минерала- ми из известных науке. По плотности минералы подразделяются на три группы; легкие с плотностью до 2,5 г/см3 (гипс, каменная соль); средние с плотностью до 4,0 г/см3 (кальцит, кварц, полевые шпа- ты, слюды); тяжелые с плотностью больше 4,0 (рудные минералы). В табл. 1.2 приведены плотности некоторых минералов. Т а б л и ц а 1,2 Плотность минералов [ Минерал Плотность, г/см3 Минерал Плотность, г/см3 [ Опал 2,2 Роговая обманка 3,1...3,5 Сера 2,0 Апатит 3,1 ...3,2 Графит 2.2 Флюорит 3,0...3,2 Галит 7 1 Оливин 3,3... 4,4 Гипс 2,3 Алмаз 3,5 Серпентин 2,5...2,7 Топаз 3,5 Микроклин 2,5... 2,6 Малахит 3,6,..4,0 Ортоклаз 2,5...2,6 Корунд 3,9...4,0 I Бирюза 2,6...2,9 Марказит 4,8 1 Плагиокчаз 2,6... 2,7 Пирит 4,9...5,2 Кварц 2,6 Гематит 4,9... 5,3 Берил 2,6...2,9 Серебро 10,0...11,0 Кальцит 2,7 Платина 14,0... 19,0 _ Нефрит 3,0 Золото 15,0... 19,0 Плотность минерала определяется следующим образом. Минерал взвешивается на лабораторных весах с точностью ш до 0,01 г, опускается в стеклянный стакан с делениями, заполненный дистиллированной водой, и по разности отметок определяется его объем V с точностью до 1 мл. 11 Вычисляется плотность минерала по формуле т , р = — , г/см3. К другим диагностическим свойствам минералов относятся: реакция со слабой (5%-й) соляной кислотой с выделением угле- кислого газа в виде пузырьков (кальцит, доломит) или сероводорода (сульфиды); двойное лучепреломление, присущее минералам прозрачных раз- новидностей (исландский шпат); вкус, с помощью которого определяют некоторые растворимые соли (каменная соль). Задание 1. Провести черту куском минерала по фарфоровой пластинке и определить ее цвет визуально и под микроскопом. 2. Визуально определить вид блеска минерала с учетом рассмот- ренной классификации. 3. Визуально определить степень прозрачности минерала, для чего рассмотреть грани его куска или отколоть от него тонкую пла- стинку. 4. Учитывая, что боковые грани минерала имеют естественный излом, визуально определить вид излома, применяя рассмотренную классификацию. 5. По боковым граням минерала определить вид спайности. 6. С помощью шкалы Мооса определить твердость минерала. 7. С помощью магнитной стрелки определить магнитность ми- нерала . 8. Определи ть плотность минерала по приведенной методике. Характеристики основных физических СВОЙСТЕ минерала, опре- деленные по вышеизложенной методике и рассмотренные с учетом классификаций, внести в соответствующие графы табл. 1.3. 12 Т а б л и ц а 2.1 Основные физические свойства минерала № пп Наименование характеристики Описание характеристики 1 Цвет минерала основной побежалость (при наличии) 2 Цвет черты визуальный под микроскопом 3 Блеск 4 Прозрачность 5 Излом 6 Спайность 7 Твердость по шкале Мооса 8 Магнитность 9 Плотность, г/см3 группа j 10 Название минерала Вопросы для самопроверки 1. Чем отличается минерал от горной породы? 2. В чем отличие твердости от плотности минерала? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 КЛАССЫ МИНЕРАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ НАЗВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОПРЕДЕЛИТЕЛЯ Цель работы: 1. Изучение классов минералов. 2. Изучение методики определения названия класса. 3. Определение названия минерала и класса, к которому он отно- сится. 13 Аппаратура: Коллекция минералов, шкала твердости Мооса, фарфоровая плитка. 2.1. Классы минералов Современная классификация минералов основывается на их хи- мическом составе и кристаллической структуре вещества. В зависи- мости от этих характеристик минералы классифицируются на сле- дующие группы: 1) самородные элементы; 2) сульфиды; 3) окислы и гидроокислы; 4) галоидные соединения; 5) кислородные соли (карбонаты, сульфаты, вояьфраматы, фос- фаты, силикаты). Из общего числа минералов около 34% падает на силикаты, около 25% - на окислы и гидроокислы, около 20% - на сульфиды и 21% - на все остальные. Самородные элементы. Минералы состоят из одного химиче- ского элемента или смеси двух элементов. Земная кора содержит не более 0,1% (по массе) самородных элементов (83 минерала). Для самородных элементов характерны чрезвычайно высокая пластич- ность, металлический блеск, ковкость, тепло- и электропроводность, высокая плотность. К самородным металлам относятся самые тяжелые минералы - невъянскит и сыссертскит. Кроме самородных металлов (Fe, Си, Ni, Ag, Аи и др.) встречаются также самородные металлоиды (мышьяк As, сурьма Sb, висмут Bi) и неметаллы (сера S, селен Se, теллур Те, углерод С). Физические свойства некоторых самородных элементов приведены в табл. 2.1. Сульфиды являются солями сероводородной кислоты. Большин- ство из них - тяжелые, мягкие, блестящие, обладают высокой элек- тропроводностью. Земная кора содержит не более 0,15% (по массе) минералов этой группы (230). Физические свойства некоторых сульфидов приведены в табл. 2.2. 14 Т а б л и ц а 2.1 Физические свойства самородных элементов Назва- ние Хими- ческая формула Блеск Цвет Плот- ность, г/см3 Твер- дость по Моосу Золото Аи мет. золотисто-желтый до 19,3 2,5 Платина Pt мет. серо-стальной до 19,0 4...4,5 Сера S жирн. желтый 2,07 1,5 Железо Fe мет. серо-стальной 7,3... 7,9 4...5 Графит С жирн. черный 2,09... 2,23 1,0 Алмаз С алм. бесцветный 3,47...3,56 10 Т а б л и ц а 2.2 Физические свойства сульфидов Название Химич. фор- мула Блеск Цвет Плот- ность, г/см3 Твер- дость по Моосу Пирит (серый и же- лезный колчедан) FeS2 мет. соломенно-желтый 4,9... 5,2 6,0... 6,5 Халькопирит (медный колчедан) CuFeS2 мет. зеленовато-желтый 4,1...4,3 3,0... 4,0 Пирит (магнитный колчедан) FeS мет. бронзово- желтый 4,6... 4,7 4,0 Галенит (свинцо- вый блеск) PbS мет. свинцово-серый 7,4... 7,6 2,0...3,0 Окислы и гидроокислы представляют собой соединения элемен- тов с кислородом и гидроксильной группой ОН. Земная кора со- держит до 17% (по массе) оксидов. Наиболее распространены кварц (12,6%), окислы и гидроокислы железа (3,9%), окислы и гидроокис- лы Al, Mn, Ti, Сг. Физические свойства основных представителей этой группы минералов приведены в табл. 2.3. 15 Т а б л и ц а 2.3 Физические свойства оксидов Название Химич. форму- ла Блеск Цвет Плот- ность, г/см3 Твер- дость по Моосу 1 Магнетит (магнитный J железняк) Fe304 мет. черный 4,9...5,2 5,5... 6,0 1 Гематит (красный железняк) Fe203 мет. черный, стальной, красный 4,9...5,3 5,5 "Лимонит (бурый железняк) Fe203x xH20 матовый темно-бурый 3,6... 4,0 4,5... 5,0 Корунд AljO j стекл. синеватый, серый 3,9...4,0 9,0 Кварц Si02 стекл. бесцветный, дымчатый 2,65 7,0 Галоидные соединения представляют собой соли галоидно- водородных кислот. Земная кора содержит около 0,5% (по массе) галоидных соединений (около 100). Для них характерны стеклян- ный блеск, малые плотности, растворимость в воде. Физические свойства наиболее распространенных галоидных соединений при- ведены в табл. 2.4. Кислородные соли. В этот класс входят соли угольной (карбона- ты), серной (сульфаты), фосфорной (фосфаты), вольфрамовой (вольфраматы) и кремниевых (силикаты) кислот. Карбонаты - соли угольной кислоты Н2С03, имеют малую плотность, стеклянный блеск, твердость 3...5, реакцию с разбав- ленной НС1. Земная кора содержит 1,7% (по массе) карбонатов. К ним относятся: кальцит СаС03, доломит CaMg(C03)2, магнезит MgC03, сидерит FeC03 и др. 16 Т а б л и ц а 2.1 Физические свойства галоидных соединений Название Химич. формула Блеск Цвет Плот- ность, г/см3 Твер- дость ПО Моосу Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 стскл. зеленый, фиолетовый, желтый 3,0...3,2 4,0 Галит (ка- менная соль) NaCl стекл. бесцв.. сине- ватый, розо- вый, серый 2Д 2,5 Сильвин КС1 стекл. бесцв., белый, розовый 1,97...2,0 1,5... 2,0 Сульфаты - соли серной кислоты H2SO4, обычно мягкие, легкие, светлые минералы, внешне похожие на карбонаты, но не реаги- рующие с НС1. Земная кора содержит 0,1% (по массе) сульфатов. Наиболее широкое распространение имеют: гипс CaS&s • 2Н;0, ангидрит CaSC>4 Фосфаты - соли фосфорной кислоты Р2О5; имеют большое про- мышленное значение как сырье для производства удобрений. Коли- чество фосфатов в земной коре составляет 0,7... 1% (по массе); они представлены более чем 200 минералами. Породообразующими являются апатиты Ca5(F,Cl)(P04)3 и фосфориты. Волъфраматы. К ним относится более десятка минеральных видов. Цвет вольфрамата (Fe,Mn)W0.4 - буро-черный, блеск - от стеклянного до алмазного, прозрачность - от непрозрачных до полупрозрачных, излом - неровный. Наиболее широко известный - шеелит Ca[W04j. Силикаты с химической точки зрения являются солями крем- ниевых кислот. Различные сочетания кремния и кислорода дают начало многочисленным соединениям, образовавшим класс силика- тов (включающий до 500 минералов), которые составляют около 75% от общей массы земной коры. Для большинства силикатов характерны: стеклянный блеск, не- большая плотность, высокая твердость. Наиболее известные сили- каты - оливин (Fe,Mg)[St04], топаз Ai2[Si04](F,0H)2, гранат 17 Fe3Al2[Si04]3, тальк Mg3(OH)2[Si4O10], серпентин MgefOHMSUOio], каолинит ALt(OH)8[Si4Oio], монтмориллонит AI2[Si4O]0](OH)2 • nH20, мусковит KAl2(OH)2[AlSi3Oio] и др. 2.2. Диагностика минералов Диагностика минералов представляет собой трудоемкий и дли- тельный процесс. Вначале определяются физические свойства, рас- смотренные в предыдущей теме; затем проводится химический ана- лиз минерала; подсчитываются количественные соотношения вхо- дящих в него элементов или соединений. Выводится предваритель- ная формула. Следующим этапом является проведение рентгеност- руктурного анализа, на основании которого устанавливаются син- гонии, классы и группы минералов. При этом свойства изучаемого минерала сравнивают с данными диагностических справочников, в которых приведены сведения о свойствах всех известных науке минералов. В связи с ограниченностью времени на изучение данного раздела в лабораторных условиях диагностика минерала проводится с ис- пользованием определителя, включающего в себя главнейшие поро- дообразующие минералы. Чтобы определить класс минерала, сначала необходимо устано- вить название неизвестного образования. Методика сокращенной диагностики включает следующие этапы: 1. Определение физических свойств и описание их в рабочей таблице 2.5. Т а б л и ц а 2.5 Диагностика минерала Физические свойства Группа твердости (табл. 2.6) Номер минерала в опреде- лителе На- звание мине- рала Твер- дость по Моосу Блсск Цвет Цвет черты Спай- ность 1 2 3 4 5 6 7 8 18 2. Определение группы, в которую входит искомый минерал (табл. 2.6), по его твердости. Т а б л и ц а 2.6 Диагностические признаки минералов № груп- пы Твер- дость по М О - ОСУ Блеск Показатели дополнительных физических свойств Поряд- ковый номер в опреде- лителе i 2 3 4 5 1 до 2 металлический пачкает руки 1 стеклянный или шелковистый спайность весьма совершенная, бесцветный, листочки по спай- ности гибкие 19 зеленый слюдоподобный, листочки по спайности гибкие 33 ЖИрКЫИ мыльный на ощупь о о матовый белый, землистый, при намока- нии Б воде пластичен 3 0 Ч Z от 2 до 3 жирный желтый с раковистым изломом Л L стеклянный или перламутровый зеленый, мелкозернистый, черта зеленая 34 черный, расщепляется на тонкие листочки 32 светлый, расщепляется на тонкие листочки 31 соленый на вкус 13 вскипает под действием соля- ной кислоты 15 .1 от 3 до 4 металлический золотистый, черта зеленовато- черная 5 стеклянный, шелковистый, перламутровый зеленый, пятнистый, волокни- стый 2 9 белый, вскипает в подогретой соляной кислоте 16 фиолетовый, зеленый, голубой, прозрачный, кубики-кристаллы 14 белый, голубой, совершенная спайность, зернистый 2 0 19 Продолжение табл. 2.6 1 2 3 4 5 вскипает в порошке под дейст- вием соляной кислоты 17 желтовато-бурый, вскипает в подогретой соляной кислоте 18 4 от 4 до 5 жирный или стеклянный желтый и зеленоватый, про- зрачный 21 матовый, жирный бурый, непрозрачный, зерни- стый 22 5 от 5 до 6 металлический, матовый черта черная 9 черта желто-бурая 12 черта вишнево-бурая 8 жирный, шел- ковистый просвечивающий 11 черта зеленая или бурая, спай- ность совершенная 27 стеклянный темно-зеленый, черный, черта серо-зеленая 26 серый, отсвечивает в сине- голубых и зеленых тонах 39 зеленовато-серый, желтовато- зеленый, черта светлая 36 желтоватый, розовый, красный, прямоугольные обломки по спайности 35 белый, косоугольные обломки по спайности 37 серый, темно-серый, желтова- тый, косые УГЛЫ по спайности 38 6 отб до 7 металлический кубические золотистые кри- сталлы, черта темно-серо- зеленоватая, почти черная 3 лучистые сростки тускло-золо- тистого цвета 4 жирный, стек- лянный скрытокризгаллический, в виде натечных форм, слабо просве- чивающий 7 20 Окончание табл. 2.6 1 2 3 4 5 спайность отсутствует, излом раковистый 6 бутылочно-зеленый, мелкие зерна в породе 23 7 свыше 7 стеклянный, жирный цвет красный, многогранник 24 зеленый, розовый, черный, призматические кристаллы 25 голубоватый, синий, серый, спайность несовершенная, излом неровный 10 3. Определение порядкового номера, под которым искомый ми- нерал находится в определителе (табл. 2.7), по остальным физиче- ским свойствам. Т а б л и ц а 2.7 Характеристика породообразующих минералов № пп Класс Название минерала Твер- дость Блеск Цвет в куске Цвет черты Излом и спайность 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Само- графит 1,0 полуме- серо- серова- зернистый; род- талли- сталь- то-чер- весьма ные ческий, ной до ная, совершенная эле- жирный черного блестя- в одном менты щая направлении 2 сера 1,5 жирный, просве- чиваю- щий желтый слабая, светло- желтая раковистый; несовершен- ная 3 Суль- пирит 6,0...6,5 сильный соло- зелено- неровный, фиды (серный метал- менно- вато- раковистый; колчедан, личе- желтый, черная несовершен- железный ский золоти- ная L - колчедан) стый 21 Продолжение табл. 2.6 1 2 3 4 5 6 7 8 4 _н_ марказит 6,0... 6,5 металли- бледно- зеле- неров- ческий, зелено- нова- ный тусклый вато- то- желтый серая I 5 халькопирит 3,5...4,0 сильный латукно- зеле- неров- (медный металли- желтый, нова- ный; колчедан) ческий, зелено- то- весьма иногда с вато- черная несо- радужной золоти- вер- побежало- стый шенная стью 6 Окис- кварц (про- 7,0 стеклян- белый не дает рако- лы и зрачный - ный на (молоч- черты вис- гидро- горный хру- гранях ный), тый; окис- сталь, фио- кристалла, дымча- спай- лы летовый - жирный на тый. ности аметист, изломе розовый, нет дымчатый - бесцвет- КЗарЦ, ный, черный черный кварц- морион) 7 халцедон 6,5 мутно- светло- не дает рако- жирный, серый, черты вис- матовый голубо- тый; ватый спай- ности нет 8 н гематит 5,5 металли- от виш- рако- (бурык ческий, красно- KGBO- вистый железняк) матовый бурого бурая или ДО ЖС" земли- лезно- стый; черного спай- ности нет i n Продолжение табл. 2.6 т 2 3 4 5 6 7 « Н 9 магнетит 5,5...6,5 металли- желез- черная в кристал-I (магнит- ческий но- лах, в & ный черный сплошных 8 желез- массах, няк) зерни- стый; несовер- шенная 110 к корунд 9,0 стеклян- голубо- черты неровный; 1 (красная ный ватый, не дает несовер- I разновид- синий, шенная ность- серый, рубин, бурый темная разновид- ность- наждак) 11 опал 5,5...6,5 жирный, белый, черты ракови- тусклый, желтый, не дает стый иногда серый, слабо синий, стеклян- бурый ный 12 н лимонит 4,0... 5,0 матовый, [ржаво- желто- землистый (бурый полуме- желтый, вато- желез- талличе- бурый, бурая, няк) ский темно- ржаво- бурый желтая 13 Галои- галит 2,5 стеклян- белый, белая весьма I ды (камен- ный, бесцвет- совершен- I КиЛ соль, жирный ный, ная в трех 1 поварен- синева- направле- В ная соль) тый, ниях и розовый, L серый 23 Продолжение табл. 2.6 1 2 3 4 5 6 7 8 14 TT флюо- 4 , 0 стеклян- фиолето- белая рит ный вый, (плави- желтый, ковый зеленый шпат) 15 Кар- кальцит 3 , 0 белый, совершенная бона- (про- серый, в трех на- ты зрачная желтый, правлениях разно- голубой, вид- прозрач- ность - ный или исланд- просве- ский чиваю- шпат) щий 16 К магне- 3 , 5 . . . 4 , 5 стеклян- белый, раковистый зит ный, серый, или земли- шелко- желтова- стый в вистый. тый скрытокри- матовый стзлличе- ских разно- видностях; совершенная в кристал- лических разновидно- стях 17 доломит 3 , 5 . . . 4 , 0 стеклян- белый, II совершенная (горький ный, желтый, в трех шпат) иногда серый направлени- перла- ях по ром- мутровый боэдру 18 И с вдсрит 1 Ч стеклян- ссрыи, белая СОВСрШСИНаЯ (желез- ный, горохо- или в трех на- ный часто во- желто- правлениях шпат) перла- желтый, ватая мутровый бурый 24 Продолжение табл. 2.6 1 2 3 4 5 6 7 8 1 19 Суль- гипс 2,0 стеклян- бесцветный белая волокнистые фаты (легкий ный с (прозрач- разновидно- шпат, перла- ный), сти с зано- мелко- мутро- белый, зистым зерни- вым, розовый, изломом; стый шелко- желтый, весьма | белый и вистый у серый совершенная розовый- волокни- в одном алебастр, стых раз- направлении волокни- новидно- стый - сгей селенит) 20 _п ангидрит 3,0...3,5 стеклян- белый, _ ! ! _ зернистый; (безвод- ный, сероватый, совершенная ный иногда, с голубой, в трех на- I гипс) перла- розовый правлениях I мутро- В вым отливом 21 Фос- апатит 5,0 на гра- бесцветный, II неровный, фаты нях зеленый, раковистый; стеклян- белый, жел- несовер- ный, на товатый, шенная изломе синевато- жирный зеленый 22" н фосфо- 5,0 матовый бледно- серая, спайность рит желтый, сла- отсутствует серый, бая бурый 23~ Си- оливин 6,5...7,0 стеклян- оливково- не неровный; лика- (перидо- ный зеленый, дает средняя ты тит) буроватый, прозрач- ный или просвечи- вающий 25 Продолжение табл. 2.6 1 2 3 4 5 6 7 8 24 гранат 7,0... 7,5 стек- темно- не неровный, лянный, красный, обра- раковистый реже буроватый зуется жирный 25 турма- 7,0...7,5 стек- зеленый, не занозистый; лин лянный розовый, дает спайность бурый, отсутствует черный. прозрачный 26 авгит 6,5 и зеленый, свет- неровный бурый, лая, черный зеле- ная 97 — м — роговая 5,5... 6,0 на пло- серо- зеле- занозистый; обманка скостях зеленый, нова- совершенная спайно- темно- тяя в двух на- сти зеленый, или правлениях шелко- черный бурая вистый 28 II тальк 1,0 жирный, белый, белая расщепляет- на пло- желтова- ся на толстые скостях тый, зеле- неупругие спайно- новатый, листочки; сти голубова- весьма перла- тый совершенная мутро- водном вый направлении 29 и серпен- 3,0...4,0 жирный, от светло- белая, раковистый тин воско- зеленого, зеле- или занози- (волок- вой, голубова- нова- стый; со- JJJjfyOU шелко- того до тая вершенная В разно- вистый темно- одном вид- зеленого с направлении ность - желтыми горный пятнами лен. асбест) 26 Продолжение табл. 2.6 т 2 3 4 5 6 7 8 30 (1 каолинит 1,0. ..2,0 тусклый, белый, белая землистый; матовый. слегка весьма жирный, в желтова- совершенная чешуйках, тый или в одном перламут- сероватый направлении ровый 31 мусковит 2,0... 3,0 стеклян- бесцветный, _м весьма (белая ный, с желтова- совершенная калиевая перламут- тым, розо- в одном слюда) ровый ватым, направлении 1 зеленова- 1 тым или 1 сероватым опенком 32 -J1— биотит 2,0...3,0 стеклян- прозрач- белая весьма (черная ный. ный, чер- или совершенная железо- перламут- ный или зеле- в одном I магнези- ровый темно- нова- направлении J альная зеленый, тая I слюда) бурый 33 К хлориты 2,0...2,5 стеклян- зеленый свет- то же ный, лая, перламут- зеле- ровый нова- тая 34 н глауко- 2,0...3,0 тусклый, темно-зеле- зеле- неровный нит стеклян- кый ная ный, жирный 35 ортоклаз 6,0 стеклян- белый. белая совершенная ный кремовый, по двум голубовато- направлени- серый, ям розовый 27 Окончание табл. 2.7 [ 1 2 3 4 5 6 7 8 36 — микро- 6,0 стеклян- кремовый, свет- совершен- клин ный или слегка перламут- ровый на гранях спайности зеленовато- серый, розо- вый, зеленый (амазонит) лая ная по двум направле- ниям 37 — И — альбит 6,0 стеклян- белый, голу- бе- Неровный, (натрие- ный бовато-белый лая совершен- вый ная по плагиок- двум лаз) направле- ниям 38 анортит (кальцие- вый плагиок- лаз) 6,0...6,5 и серый, бе- лый, голубо- ватый, жел- товатый н совершен- ная в двух направле- ниях 39 II Лабрадор 6,0 стеклян- серый, тем- ТО совершен- (извест- ный, но-серый, с же ная в двух ковый перламут- голубыми и направле- плагиок- ровый зеленоваты- ниях лаз) ми перели- вами (иризи- рующий) 40 нефелин 6,0 стеклян- серый, розо- не плоскора- (элеолит ный на вый, желто- дает ковистый; «масля- гранях, бурый, бес- несовер- ный жирный цветные шенная камень») на изломе кристаллы 4. Определение названия минерала и наименования класса, к кото- рому он относится, по порядковому номеру в определителе. Для этого надо сравнить характеристики в определителе с характеристиками, внесенными в рабочий журнал; при их совпадении делается вывод о тождественности искомого и справочного минералов. 28 Задание 1. Определить название обозначенного минерала. 2. Определить класс минерала. Вопросы для самопроверки 1. Какой из классов минералов - самый распространенный в земной коре? 2. Какие необходимо провести исследования при открытии ново- го минерала? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МИНЕРАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА СТРУКТУРЫ СИЛИКАТОВ Цель работы: 1. Изучение кристаллической структуры минералов. 2. Изучение типов соединений кремнийкислородных тетраэдров. 3. Составление кристаллохимической характеристики обозна- ченного минерала. Аппаратура: Коллекция минералов. 3.1. Структура минералов Твердые минералы в большинстве случаев являются кристалли- ческими веществами. Геометрически кристаллическая решетка представляет собой плотно пригнанные друг к другу многогранни- ки (кубы, октаэдры, параллелепипеды и др.), в вершинах, центрах или серединах граней которых на строго определенном расстоянии располагаются атомы (или ионы). Каждая такая решетка может характеризоваться шестью параметрами: трансляциями о, в, с (его 29 ребрами) и углами между ними а, Д у (рис. 3.1). В зависимости от количества главных осей симметричность кристаллов может быть трех категорий: 1) высшая: главных осей несколько, как в кубе (галит, магнетит); 2) средняя: главная ось только одна, как у карандаша (кварц, бе- рилл); 3) низшая: главных осей нет совсем, как у линейки (гипс, арагонит). Рис. 3.1. Трансляции и углы, характеризующие параллелепипед Таким образом, категория симметричности учитывает только со- отношение длины, ширины и высоты кристаллов. Изменение углов между трансляциями приведет к перекосу решетки. Все кристаллические многогранники подразделяются на семь кристаллографических сингоний (от греч. «сходноугольность»). Высшая категория имеет только одну сингонию, называемую куби- ческой. Средняя категория включает три сингонии: гексагональную (шестиугольную), тригоналъную (треугольную) и тетрагональную (квадратичную). Низшая категория включает: ромбическую синго- нию, в которой кристаллы не имеют перекосов, моноклинную - с перекосом только в одной проекции (в профиль) и триклинную, где кристаллы перекошены со всех сторон. В 1848 г. французский кристаллограф Огюст Бравэ математиче- ским путем доказал, что в каждой кристаллической решетке из-за повторяемости бесконечного числа параллелепипедов всегда можно выбрать один такой, с помощью которого можно характеризировать всю решетку в целом. Таким образом, все кристаллические структу- ры описываются 14-ю трансляционными группами, соответствую- щими 14-ти решеткам Бравэ, отличающимися по форме элементар- Y 30 ных ячеек, симметрии и подразделяющимися на 7 кристаллографи- ческих сингоний. В зависимости от расположения частиц решетки Бравэ могут быть: 1) примитивными, где частицы располагаются только в узлах решетки; 2) базоцентрированными, где частицы располагаются как в уз- лах решетки, так и в центре двух противоположных граней; 3) объемоцентрированными, где частицы располагаются в узлах и в центре решетки; 4) гранецентрированными, где частицы располагаются в узлах решетки и в центре каждой грани. Распределение решеток Бравэ по сингониям и характеристика их параметров приведены на рис. 3.2. Кате- гория Сннгонии Тип решетки примитивная базоцентриро- ванная обьемноцеитри- рованная гранецентиро- ванная К триклинная н моноклинная а * е * с 2 н ромбическая а 7 0 с тригоналъная а* в- с с тетрагональная а-в* с а=/> = у-90 ' 8 п с гексагональная й — в С a~jj=r=90 " t t t i в кубическая а**в*>С а-р =у=90 12 & 1 1 # "М Рис. 3.2. Решетки Бравэ 31 3.2. Кремнийкислородные тетраэдры В состав большинства горных пород входят минералы, относящиеся к силикатам. В природе кремний (Si) находится всегда в соединении о кислородом. Четырехвалентный катион Si"* окружен 4-мя анионами кислорода, расположенными по вершинам тетраэдра, что дает группу [SiOJ4", соединяющуюся с соседними группами только через вершины тетраэдров. Кремнийкислородные тетраэдры, объединяясь в различные! сочетания, образуют следующие типы структур (рис. 3.3): 1) островные (оливин, гранаты); 2) кольцевые (берил, турмалин), 3) цепочечные (авгид, гиперстен); 4) ленточные (роговая обманка, амфиболы); 5) листовые (тальк, серпентин); 6) каркасные (ортоклаз, плагиоклаз). а г с т л * - А L«J ! uijj A W а б 6- Рис. 3.3. Типы соединений кремнийкислородных тетраэдров 32 Задание 1. На основании предложенного варианта представить характе- ристику минерала из класса силикатов (табл. 3.1). 2. Начертить на отдельном листе обозначенный тип сингонии. 3. Начертить тип соединения кремнийкислородных тетраэдров для обозначенного минерала. Исходные данные представлены в табл. 3.2. Т а б л и ц а 3.1 Характеристика минералов Название минерала Химиче- ская формула Кристал- лическая решетка Параметры сингонии Категория кристал- лов Название структуры силиката трансляции углы 1 2 3 4 5 6 7 Т а б л и ц а 3.2 Исходные данные № пп Название минера- ла Химическая формула Кри- сталли- ческая решетка Номер ре- шетки Бравэ Струк- тура сили- ката Вари- анты 1 2 3 4 5 6 7 1 Оливин (Mg,Fe)2Si04 ромбич. 4 остр. 1,13,6 2 Гранат АзВзГБЮЛ кубич. 12 остр. 2,12 3 Берилл BejAhfSieOis] гексагон. 11 кольц. 3,11,7 4 Турма- лин (Na,Ca)(Mg,Al,Li)3(Mn,Fe, MLihPOsMSkOisKOH)* тритон. 8 кольц. 4,10,8 5 Авгит Ca(Mg,Fe.Al)r(Si,Al)206l монокл. 2 цепоч. 5.1 6 Актино- лит Ca2(Mg,Fe)5[Si4Ou]2(OH)2 монокл. 3 лент. 6,2 7 Роговая обманка NaCa2(Mg,Fe,Al)3[(Si,Al)4x хОпЫОН)2 монокл. 2 лент. 7,3 8 Мусковит KAJ21rSi3AlOI0](OH)2 монокл. 3 лисг. 8,4 9 1 Биотит KfMfeFebfSisAlQoKF^ OHb монокл. 2 лист. 9,14 33 Окончание табл. 3.2 г г 2 3 4 6 7 || 10 Тальк Mg3[Si4O10](OH)2 монокл. 3 лист. 10 I и Серпен- тин Mg6[Si4O10](OH)8 монокл. 2 лист. 11 12 Каоли- нит Al4[Si4O10](OH)8 монокл. 3 лист. 12 13 Орток- лаз K[AlSi3Og] монокл. 2 карк. 13,5 1 14 Нефелин NafAlSi304l гексагон. 11 карк. 14,9 | Вопросы для самопроверки 1. Что такое трансляции и сингонии? 2. Какой тип структуры силикатов имеет наибольшее число сво- бодных связей? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД Цель работы: 1. Изучение классификации магматических пород. 2. Изучение основных видов магматических пород. 3. Описание отличительных признаков образца магматических пород. Аппаратура: Коллекция магматических пород, лабораторный микроскоп, уве- личительное стекло. 4.1. Классификация магматических пород Магматические горные породы образовались в результате вне- дрения и остывания проникших с глубин в земную кору магматиче- ских масс (каменных расплавов) или излияния их на поверхность. Магма - огненно-жидкий вязкий расплав сложного химического состава (главным образом, силикатного) с большим содержанием паров воды и различных газов 34 По условиям образования и залегания магматические горные по- роды подразделяются на: а) глубинные (интрузивные); б) излившиеся (эффузивные); в) жильные (гипабиссальные). Глубинные магматические породы образуются в условиях высо- кого давления и температуры при медленном и равномерном осты- вании (кристаллизации) магмы. Магматические породы, образовавшиеся в условиях поверхности земли или в непосредственной близости от нее, называются излив- шимися (эффузивными). Жильные (гипабиссальные) образования - это трещины, запол- ненные магмой, отходящие от крупных интрузивных тел. Внутреннее и внешнее строение горной породы характеризуется структурой и текстурой. Структура - это особенность внутреннего строения, обуслов- ленная размерами, формой или количественным соотношением его составных частей - минералов. Текстура - это особенность внешнего облика породы, характе- ризуемая порядком размещения минеральных зерен, их ориенти- ровкой и окраской. Структура горной породы может быть: 1) интрузивная - полнокристаллическая (зернистая); 2) эффузивная - порфировая, скрытно-кристаллическая, стекловатая. При полнокристаллической структуре все вещество раскристалли- зовано в агрегатные минералы. Типичный представитель - гранит. При порфировой структуре в основной нераскристаллизованной или слабо раскристаллизованной массе имеются крупные отдель- ные кристаллы, обычно - полевого шпата. Такая структура харак- терна для липоритового, андезитового и базальтового порфира. Стекловатая структура образуется при быстром охлаждении магмы, когда она до перехода в твердое состояние не успевает пол- ностью раскристаллизоваться. Характерна для диабаза и обсидиана. Из текстур для глубинных магматических пород наиболее харак- терны массивная и пятнистая, для излившихся - пузыристая и по- ристая. 35 Массивная (плотная) текстура отличается беспорядочным рас- положением минералов в массе породы. Характерна для гранитов, сиенитов. Пятнистая возникает при неравномерном распределении темных и светлых минералов в объеме породы. Характерна для пироксинита. Пористая образуется при бурном выделении газов в процессе остывания излившейся магмы. Характерна для диабаза. Пузыристая отличается размерами пор. Магматические породы в зависимости от размеров зерен мине- ралов разделяются на: 1) крупнозернистые - от 1,0 до 5,0 мм; 2) среднезернистые - от 0,5 до 1,0 мм; 3) мелкозернистые - менее 0,5 мм. Химический состав магматических пород определяется содержа- нием кремнезема Si02. По этому показателю магматические породы подразделяются на: 1) кислые (Si02 = 65... 75%); 2) средние (Si02 = 52...65%); 3) основные (Si02= 40... 52%); 4) ультраосновные (Si02 < 40%). Ультраосновные породы распространены крайне редко, и поэто- му в дальнейшем не рассматриваются. Классификация магматических пород (табл. 4.1) по содержанию Si02 имеет практическое значение. С уменьшением его содержания изменяются физические свойства пород: 1) возрастает плотность; 2) понижается температура плавления; 3) породы лучше поддаются полировке; 4) окраска изменяется от светлой до темной; 5) минеральный состав изменяется в сторону уменьшения коли- чества кварца и увеличения темноцветных минералов. Магматические породы по инженерно-строительной классифи- кации относятся к скальным и являются хорошим основанием для сооружений. В земной коре различают около 600 разновидностей магматических горных пород. 36 37 4.2. Краткая характеристика важнейших представителей магматических пород Гранит - интрузивная полнокристаллическая порода от светло- серой до красной окраски. По содержанию Si(>2 является кислой. Минеральный состав: ортоклаз и плагиоклаз (40...60%), кварц (15...40%), авгит, роговая обманка, биотит (5... 10%). Граниты об- ладают большой прочностью при сжатии (160...250 МПа). Распро- странены на юге Украины и на Кольском полуострове. Обсидиан - вулканическое стекло (названо по имени римлянина Обсидиуса, привезшего этот камень из Эфиопии). Кислая, эффузивная порода, имеющая стекловатую структуру серого, бурого цвета (до чер- ного). К этому же классу (кислых, эффузивных) относятся кварцевые порфиры, имеющие плотную массивную текстуру. Окраска - желто- бурая, красноватая и коричневая. Струюура - порфировая. Сиенит - интрузивная, средняя порода с полнокристаллической структурой. По внешнему виду похож на гранит, от которого отли- чается меньшим содержанием кварца и большим содержанием цветных минералов. Сиениты распространены в области Украин- ского кристаллического щита и на Урале. Трахит - эффузивный аналог сиенита, имеет порфировую структу- ру, состоит почти всецело из паяевых шпатов. Цвет обычно - серый с зеленоватым оттенком. Древний аналог трахита - порфир. Диорит - интрузивная порода с полнокристаллической структу- рой темно-серого или зеленовато-серого цвета, средняя по кислот- ному составу. От гранитов отличается отсутствием калиевого поле- вого шпата. В чистом виде встречаются редко. Андезит - средняя эффузивная порода с порфировой структурой. Цвет темно-серый с зеленоватым оттенком. Древний аналог андези- та - порфирита. Наряду с базальтовыми это - самые распростра- ненные лавы, которые слагают громадные вулканические поля Кавказе и Камчатке Габбро - основная интрузивная порода со средней и крупнозер- нистой структурой темно-зеленого и черного цвета. Показатели физико-механических свойств изменяются в широких пределах, что объясняется неоднородным минеральным составом. Прочность при 38 сжатии колеблется от 40 до 300 МПа. Наиболее известны габбро Украины и Урала. Базальты и их древние аналоги - диабазы являются распростра- ненной эффузивной разновидностью габбровой магмы. По цвету несколько темнее андезита. Порода имеет четко выраженную пор- фировую структуру. На черном фоне резко выражены вкрапления плагиоклаза и темноцветных минералов. Порода тяжелая, плотная. Обладает высокой прочностью при сжатии - 350 и даже 500 МПа. Базальты применяются как строительный камень, электроизоляци- онный и кислотоупорный материал. Широко распространены в Восточной Сибири и на Кавказе. Задание Описать предложенный образец магматической породы в сле- дующей последовательности: 1. Визуально определить цвет породы, которая может характери- зоваться однородным состоянием или пятнистой, полосчатой окра- ской. Породы, окрашенные в светлые тона, называются лейкократо- выми, в темные - меланократовыми. 2. Визуально определить текстуру горной породы в соответствии с классификацией, предложенной в подразделе 4.1. 3. С помощью лабораторного микроскопа изучить структуру гор- ной породы, т.е. совокупность признаков строения, обусловленных размерами и формой отдельных кристаллов. Измерить размеры отдельных зерен. Установить, относится данная порода к равномер- нозернистой или к неравномернозернистой в случае, когда одни зерна по размерам резко отличаются от других. Определить ориен- тировочное значение кварца. Следует помнить, что кислые породы - лейкократовые, с большим содержанием кварца; у средних пород преобладает серая окраска (среднее цветное число 20), кварца мало или нет совсем; основные породы не содержат кварца, цветное чис- ло достаточно велико, в окраске преобладают темно-серые тона. 4. С помощью лабораторного микроскопа определить цветное число, или цветной индекс, под которым понимают количество 39 темноцветных минералов в объемных процентах (числовое значе- ние может быть от 0 до 100). 5. На основании проведенных макро- и микроскопических ис- следований сделать заключение: 1) об условиях образования (интрузивные, эффузивные); 2) о содержании SiC^ (кислые, средние, основные); 3) о наименовании породы. Результаты исследований занести в рабочую табл. 4.2. Т а б л и ц а 4.2 Отличительные признаки магматической породы № пп Наименование показателей Признаки породы 1 Цвет лейкократовые меланократовые 2 Текстура размер отдельных зерен, мм I 3 Структура форма зерен равномернозернистость вид 4 Содержание кварца, % (по светлым кристаллам) 5 Цветное число 6 Выводы принадлежность по условиям образования кислотность породы название породы Вопросы для самопроверки 1. Как влияет минералогический состав магматических пород на их цвет и плотность? 2. Как подразделяются магматические породы по условиям обра- зования? 40 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПОРОД Цель работы: 1. Изучение классификации метаморфических пород. 2. Изучение основных видов метаморфических пород. 3. Описание отличительных признаков образца метаморфиче- ских пород. Аппаратура: Коллекция метаморфических пород, лабораторный микроскоп, увеличительное стекло. 5.1. Классификация метаморфических пород Метаморфические горные породы образуются в результате пре- образования ранее существовавших пород, происходящего в земной коре под воздействием большого давления, высокой температуры, минерализованных растворов и газов. Р а з л и ч а ю т три формы метаморфизма: контактный, динамомета- морфизм и региональный. Контактный метаморфизм проявляется под воздействием на окружающие горные породы высокой температуры (в зоне контакта 700...1200°С), газов и горячих растворов при прорыве магматиче- ских масс в толщу ранее отложившихся пород. Он выражается в оплавлении породы, перекристаллизации и цементации. Наиболее распространенной породой, образующейся при кон- тактном метамопфизме, являются роговики - темные, плотные по- роды, имеющие однородную текстуру и мелкозернистую структуру. Характерной породой этой группы является также мрамор, физиче- ские и механические свойства которого зависят от его структуры и текстуры. Сопротивление сжатию в среднем составляет 100 МПа. В отличие от других метаморфических пород мраморы растворяются в воде, содержащей углекислоту. 41 Динамаметаморфизм проявляется при воздействии На ГОрНЫв по- роды высокой температуры и огромных давлений, возникающих в процессе горообразования, он всегда связан с проявлением сил сжатия. Характерными представителями этой группы пород являются тек- тониты (брекчии трения, катаклазиты, милониты) - раздробленные, иногда перетертые породы, в различной степени сцементированные. Все тектониты имеют достаточно высокую плотность, однако их проч- ностные и деформационные свойства значительно хуже, чем у первич- ных пород - гранитов, песчаников, алевролитов. Благодаря сланцева- той структуре сопротивление сдвигу резко снижается. Региональный метаморфизм связан с погружением целых ре- гионов земной коры на большие глубины, в области очень высоких температур. Среди пород этой группы наиболее распространены кварциты, гнейсы и кристаллические сланцы. Наиболее прочными и устойчивыми являются кварциты - мас- сивная порода различной зернистости, обладающая высокой меха- нической прочностью (150...200 МПа), Пористость кварцитов ни- чтожна; величины водопоглощения и водонасыщения составляют десятые доли процента (0,2, 0,3%); они морозоустойчивы и слабо выветриваются, Физико-механические свойства гнейсов в зависимости от их структуры и текстуры меняются в широких пределах. Очковая тек- стура снижает их прочность. Кристаллические сланцы характеризуются слоистостью и слан- цеватостью, которые определяют анизотропность их свойств, сни- жающую их морозостойкость и способствующую быстрому вывет- риванию. Прочностные свойства этих пород изменяются в широких пределах - от нескольких десятков МПа до нескольких МПа. Метаморфические породы обладают особенностями, отличаю- щими их от магматических и осадочных, - кристаллической струк- турой и своеобразной текстурой. Текстура метаморфических пород может быть: 1) сланцеватая с параллельным расположением минералов; 2) полосчатая с чередованием полос размытого минерального со- става и цвета; 42 3) волокнистая с ориентированным расположением волокнистых или игольчатых минералов. Минералогический состав метаморфических пород определяется минералогическим составом исходной породы. Магматические породы в процессе метаморфизма ухудшают свои строительные свойства, - появляется трещиноватосгь, полосчатость. Осадочные породы, наоборот, улучшают их: уплотняются, обжигаются, перекристаллизовываюгся и переходят в разряд скальных. 5.2. Краткая характеристика важнейших представителей метаморфических пород Мрамор (от греч. marmaros - блестящий камень) залегает в виде пластов. Химический состав СаСОз образуется в результате пере- кристаллизации известняка и реже - доломита. Окраска разнооб- разная - белая, серая, черная. Структура - кристаллически- зернистая. Твердость - 3...3,5. Хорошо полируется. Прочность при сжатии - 50... 250 МПа. В состав роговика входят кварц, темная слюда, гранат, полевые шпаты и др. минералы. В известково-силикатных роговиках при- сутствуют пироксены, кальций, волластонит и др. Используются как сырье для получения щебня. По характеру новообразованных минералов различают биотитовый, амфибольный, кардиеритовый и т.д. роговики. Кварцит образовался в результате метаморфизма кварцевых песчаников с кремнистым цементом или кварцевых порфиров. Очень плотная и твердая порода. Окраска - белая, розовая, серая (до черной). Прочность на сжатие - 100... 140 МПа. Огнеупорен, температура плавления - 1750... 1770°С. В строительстве использу- ется для получения щебня, в химической промышленности - как кислотоупорный материал. Гнейс (нем. Gneis) - порода, подвергшаяся наиболее глубокому метаморфизму. Состоит из кварца, полевых шпатов и темных ми- нералов. Гнейсы образуются как из осадочных (парагнейсы), так и из магматических (ортогнейсы) пород. Структура - кристалличе- ская, текстура - сланцеватая. По преобладанию темных минералов различают гнейсы биотитовые, роговообманковыс и др. Плотность - 43 2,6...2,9 г/см3, прочность при сжатии - 120... 140 МПа. Использу- ются в качестве облицовочного камня. Сланец - горная порода с ориентированным расположением сла- гающих минералов и хорошо выраженной сланцеватостью (способ- ностью раскалываться на тонкие пластинки). Различают глинистые, углистые, кремнистые, известковые и др. сланцы. Образованные из осадочных пород сланцы называются парасланцами, из магматиче- ских - ортосланцами, битумизованные - горючими (они использу- ются в качестве твердого топлива). Кристаллические сланцы при- меняются в строительстве. Амфиболит (от греч. amphibolos - неопределенный) - среднезер- нистая горная порода, сложенная, в основном, из амфибола (рого- вая обманка) и плагиоклаза. Плотность - 2,9...3,2 г/см3. Прочность на сжатие - до 260 МПа. Твердость по минералогической шкале - 5 . . . 6,5. Амфиболы-асбесты - ценное кислого-, щелоче- и огнеупор- ное сырье. Брекчия (нем. brecha - ломка) - горная порода, состоящая из сцементированных крупных (более 10 мм) угловатых обломков раз- личного состава. Цемент может быть представлен минералами, рез- ко отличными от обломков или близкими к ним. По образованию выделяются брекчии осадочные, карстовые, вулканические, текто- нические и др. Брекчии тектонические возникают при движении вдоль плоскости разрывного нарушения и при складкообразовании. Они являются продуктом низшей ступени местного дислокационно- го метаморфизма. Размеры обломков меняются от микроскопиче- ских до огромных глыб. Пространство между ними заполнено час- тицами тех же пород или жильным материалом. Милонит - тонко перетертая горная порода с отчетливо выра- женной сланцеватой текстурой. Развитию милонита способствуют неоднократные и разнонаправленные движения по поверхности нарушения. Разорванные блоки, перемещаясь, дробят, перетирают и сдавливают породу, вследствие чего она становится компактной. Образуются полосчатые текстуры и расслоенносгь. Милонит - плотная порода, в которой линзы грубо раздробленного материала располагаются в слоистой массе тонко раздробленной породы. Классификация метаморфических пород представлена в табл. 5.1. 44 М ин ер ал ьн ы й со ст ав 00 ка ль ци т, р еж е до ло ми т, и но - гд а пр им ес ь гр аф иг а пл аг ио кл аз , ам ф иб ол , пи ро кс ен кв ар ц, б ио ти т, ма гн ет ит , ин ог да п ол ев ой ш па т, г ра на т | | Те кс ту ра Г- ма сс ив на я ма сс ив на я бе сп ор я- до чн ая ма сс ив на я бе сп ор я- до чн ая ма сс ив на я С тр ое ни е и вн еш ни й ви д по ро ды ЧО зе рн ис то -к ри ст ал ли че ск ая , б ел ая , св ет ло -с ер ая п ор од а, и зр ед ка с ла нц е- ва та я ил и не яс но -в ол ни ст о- по ло сч ат ая те кс ту ра ме лк оз ер ни ст ая , о че нь к ре пк ая п ор од а те м но че ро го , т ем но -з ел ен ог о ил и че рн ог о цв ет а ме лк оз ер ни ст ая к ре пк ая п ор од а се ро го , бу ро ва то -с ер ог о, и но гд а ро зо ва то - се ро го ц ве та ме лк оз ер ни ст ая п ор од а, и но гд а сл ив на я (о тд ел ьн ы е зе рн а не ль зя р аз ли ча ть ) бе ло го , ж ел то го , к ра сн ов ат ог о цв ет а, бл ес тя щ ая н а из ло ме , и но гд а сл ан це ва - та я, п ли тч ат ая В ид м ет а мо рф из ма | ди иа - м ом е- та мо р- фи зм 1 i j i В ид м ет а мо рф из ма | ре ги о- 1 на ль - Н Ы Й 1 ! ! 1 В ид м ет а мо рф из ма | E L § С! А. о 5 « 6 А да я А р •& g S| S. ^ vS « ро го ви к би от и- то вы й | 1 И сх од на я по ро да <ч И зв ес тн як Г 6 Г 1 & в 5 5 3 й в » В Ш * с? a tj S 3 Я Щ U и П ес ча ни к 1Ш - - <-) о 45 46 Задание При исследовании метаморфических пород необходимо устано- вить: 1) что представляла собой порода до метаморфизма; 2) какие явления обусловили метаморфизм? Для полного и уверенного ответа на эти вопросы необходимо выяснить условия залегания породы в естественной обстановке и детально исследовать породу под микроскопом. Описание образца метаморфических пород осуществляется в следующей последовательности: 1. Визуально определить цвет породы. 2. С помощью лабораторного микроскопа изучить и описать тек- стуру и структуру образца породы с учетом материала, изложенного в подразделе 5.1. 3. С помощью микроскопа изучить жилы, прожилки и вкрапле- ния минералов, а также зафиксировать посторонние включения. 4. Используя табл. 5.1, определить название породы, установить вид метаморфизма и описать минеральный состав. 5. Результаты лабораторных исследований занести в табл. 5.2. Т а б л и ц а 5.2 Результаты лабораторных исследований № пп Наименование характеристики Описание 1 Цвет породы 2 Текстура 3 Структура 4 Вкрапление минералов 5 Наличие посторонних включений 6 Название породы 7 Вид метаморфизма 8 Минералогический состав 47 Вопросы для самопроверки 1. В чем отличие метаморфических пород от магматических? 2. Почему анизотропность характерна для регионального мета- морфизма? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕТРОГРАФИЧЕСКОГО СОСТАВА ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: 1. Изучение классификации осадочных пород. 2. Изучение основных видов осадочных пород. 3. Описание отличительных признаков образца осадочной породы. Аппаратура: Коллекция осадочных пород, лабораторный микроскоп, увели- чительное стекло. 6.1. Классификация осадочных пород Осадочные горные породы образуются в результате разрушения (выветривания) различных ранее существовавших горных пород и последующего отложения в водной или воздушной среде продуктов этого разрушения. В соответствии с условиями образования осадочные породы имеют слоистый или пластовый характер. При изучении осадочных пород различают их структуру, под ко- торой понимают свойство, обусловленное формой и размером сла- гающих породу частиц, и текстуру, обусловленную происхождени- ем породы, особенностями расположения частиц и ее внешним (макроскопическим) видом. 48 По величине обломков осадочные породы подразделяют на сле- дующие основные группы: 1) крупнообломочные (псефитовые) с частицами более 2 мм ; 2) песчаные (псаммитовые) с частицами от 2 до 0,05 мм; 3) пылеватые (алевритовые) с частицами от 0,05 до 0,005 мм; 4) глинистые (пелитовые) с частицами менее 0,005 мм. По форме обломков различают породы, в которых частицы могут быть: 1) угловатыми (неокатанными); 2) округло-угловатыми (полуокатанными); 3) округло-полированными (окатанными). В зависимости от соотношения зерен по размеру выделяют структуры: 1) равнозернистая, где частицы - одного размера; 2) разнозернистая, где частицы отличаются по размерам; 3) оолитовая, где зерна имеют округлые очертания и величину 1... 2 мм; 4) листовая, при которой породы имеют листовато-слоистое сложение; 5) игольчатая и волокнистая, зависящие от формы и величины слагающих их минералов; 6) брекчиевидная, при которой порода состоит из крепко спаян- ных между собой остроугольных обломков. По характеру взаимного расположения частиц в осадочных по- родах выделяются следующие текстуры. 1) беспорядочная, при которой слагающий породу минерал рас- положен хаотично; 2) листовая, при которой порода разделяется на тончайшие слои в связи с частой сменой зерен различного размера по слоистости; 3) полосчатая, при которой поверхности слоистости почти па- раллельно или волнообразно изгибаются и выклиниваются, 4) слоистая, которая формируется в морских и пресных водо- емах. Существуют виды слоистости: параллельная, или горизон- тальная; косая, или перекрестная; волнистая; диагональная. В осадочных породах цементом называется масса тонкозерни- стого или аморфного материала, скрепляющая отдельные более 49 крупные зерна. Цемент может образоваться одновременно с отло- жением осадка или после этого в результате осаждения солей из циркулирующих в породе растворов. По составу он бывает: глини- стый, алевритовый, песчаный, известковый, кремнистый и т.д. От характера цемента зависит прочность осадочных пород. Пористость в осадочных породах является одним из основных внешних признаков. По степени пористости можно выделить сле- дующие породы: 1) плотные, в которых пористость не заметна на глаз; 2) мелкопористые, в которых можно различить мелкие частые поры; 3) крупнопористые, где величина пор колеблется от 0,5 до 2,5 мм; 4) кавернозные, где крупные поры представляют собой сложные пустоты - каверны, возникшие на месте выщелоченных раковин. Пористость глин достигает 40... 50%, ила - 70... 80%, Осадочные породы имеют самую разнообразную окраску и от- тенки от снежно-белого до черного (табл. 6.1). Окраска является признаком, характерным для определения этих пород, и зависит: 1) от окраски минералов, слагающих породу; 2) от окраски рассеян- ных в породе примеси и цемента; 3) от цвета тончайшей корочки, часто обволакивающей зерна составляющих породу минералов. Т а б л и ц а 6.1 Окраска минералов в осадочных породах № пп Цвет Наличие минералов и соединений 1 Белый и светло-серый (свидетельствует о чистоте породы) кварц, каолинит, кальцит, доломит 2 Темно-серый и черный примеси углистого вещества или солей марганца и сернистого железа 3 Красный и розовый примеси окислов железа а 4 Зеленый примесь закисного железа или при- | сутствие окрашенных минералов: | глауконита, хлорита, малахита | 5 Желтый и бурый лимонит I 50 Определять цвет нужно при дневном свете, - искусственный свет так же, как и влажность породы, изменяет оттенки. По происхождению (генезису) осадочные породы подразделяют- ся на три основные группы (табл. 6.2): 1) обломочные; 2) органогенные; 3) химические. Т а б л и ц а 6.2 Классификация осадочных пород Груп- пы Вид Сцемен- тирован- ность Название породы Обло- моч- ные собст- венно обло- мочные рыхлые глыба, валун щебень, галька дресва, гравий песок пылеватые: лесс, лессо- видные сцемен- тиро- ванные брекчии - неокатанные обломки, конгломерат - окатанные обломки песча- ник алевролиты глини- стые рыхлые супеси суглинки глины сцемен- тиро- ванные аргиллиты Орга- ноген- ные карбонатные известняк доломит мел мергель кремнистые опока диатомит химические ангидрит гипс | каменная соль 6.2, Основные виды осадочных пород Классификация гранулометрических элементов по В.В.Охотину представлена в табл. 6.3. Крупнообломочные породы (глыба, валун, щебень, галька, дрес- ва, гравий) рассматриваются как осадочные несцементированные 51 залежи обломков при полном отсутствии структурных связей. Их прочность зависит от слагаемых пород и плотности укладки. Песок - рыхлая несцементированная горная порода, состоящая из обломков различных минералов и пород с различной степенью окатанности, образовавшаяся в результате физического выветрива- ния или размывания. Пыль - порода переходного характера от песков к глинам. К пы- леватым породам относятся лесс, лессовидные суглинки и лессо- видные супеси. Т а б л и ц а 6.3 Классификация гранулометрических элементов Структурные эле- менты Вид поверхности Название элемента Размер, мм Макрострукгурные неокатанный глыба >200 окатанный валун >200 ] неокатанный щебень 200... 10 окатанный галька 200...10 неокатанный дресва 10...2 окатанный гравий 10...2 Мезоструктурные различная степень окатанности песок 2...0,05 пыль 0,05... 0,005 Микроструктурные глина <0,005 Глина - это связная осадочная порода, содержащая значительное количество глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гид- рослюды и др.), обладающая рядом таких специфических свойств, как пластичность, набухание, усадка, липкость. К рыхлым глинистым породам относятся: 1) супеси с содержанием глинистых частиц размером менее 0,005 мм от 3 до 10%; 2) суглинки - то же от 10 до 30%; 3) глины - более 30%. 52 Известняк - карбонатная порода, состоящая, главным образом, из кальцита с примесями глины и песка. Известняки обладают раз- личной окраской: чистые образцы имеют белый цвет, различные примеси окрашивают их в разные цвета от желтого до черного. При увеличении количества глинистых примесей известняки пе- реходят в мергели - породу полускального типа, иногда с ракови- стым, но чаще с неровным или землистым изломом. Содержание кальцита - от 25 до 75%. Бурно реагируют с соляной кислотой. Доломит по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль кальция и магния CaMg(COs)2. Чистый доломит встречается редко, чаще наблюдаются его разновидности. Доломит, растертый в порошок, вскипает от холодной НС1, в куске вскипает от горячей. Цвет - белый, кремовый или серый. Мел - порода скального типа, образованная из скоплений остат- ков микроскопических морских организмов (60...70%) и кальцита. По внешнему виду она - белая, землистая, легко растирается в по- рошок. Диатомит по внешнему виду - белая или желтоватая, пористая, чрезвычайно легкая, мягкая, рыхлая, слабоецементированная поро- да. Отличается от мела отсутствием реакции с НС1. Образовался в результате скопления микроскопических скорлупок диатомовых водорослей. Опока - кремнистая твердая порода, состоящая из опала (90%) с примесью остатков организмов. Имеет сильно выраженную порис- тость и раковистый излом. Ангидрит - обычно серая или голубовато-серая плотная порода твердостью 3...3,5. В процессе гидратации ангидрит CaS04 присое- диняет две молекулы воды и переходит в гипс CaS04 • 2НгО. Поро- да, сильно увеличиваясь в объеме, сминается, приобретая гофриро- ванно-слоистую структуру. Каменная соль имеет зернисто-кристаллическую структуру. Цвет меняется от белого до черного в зависимости от наличия различных примесей. Соленая на вкус; легко растворима в воде; удельный вес 2,1 г/см3. 53 Задание 1. Исследовать петрографический состав осадочной породы ви- зуально или с использованием лабораторного микроскопа. При определении тех или иных свойств предложенной породы необходимо руководствоваться положениями, изложенными в под- разделе 6.1. 2. Когда название породы станет известным, выписать ее краткую характеристику из подраздела 6.2. Последовательность исследования осадочной породы с определением ее свойств см. в табл. 6.4. Т а б л и ц а 6.4 Результаты лабораторных исследований № пп Наименование свойств породы Описание свойств | породы ] Принадлежность по величине обломков I 2 Форма обломков 3 Структура 4 Текстура 5 Пористость 6 Окраска 1 7 Наличие сцементированных связей 8 Приобретение пластических свойств при увлажнении 9 Наименование породы 10 Характеристика породы 1 Вопросы для самопроверки 1. Как образуются осадочные сцементированные породы? 2. Как влияет вид поверхности гранулометрического элемента на состав грунта? 54 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 7 ИЗУЧЕНИЕ КЛАССИФИКАЦИИ ГРУНТОВ В СООТВЕТСТВИИ СО СТАНДАРТОМ СТБ 943-93 Цель работы: 1. Изучение параметров, классифицирующих грунты без жестких структурных связей. 2. Классификация крупнообломочных, песчаных и пылевато- глинистых грунтов. 3. Определение вида грунта по результатам лабораторных испы- таний. Аппаратура: Коллекция осадочных пород. 7.1, Параметры, классифицирующие грунты без жестких структурных связей Под термином грунт понимается любая горная рыхлая порода или почва, слагающая верхний слой земной коры и изучаемая как многокомпонентная система, изменяющаяся во времени. Стандарт Республики Беларусь 943-93 «Грунты. Классифика- ция» включает в себя рассмотрение следующих классов грунтов: 1) с жесткими структурными связями (класс скальных грунтов); 2) без жестких структурных связей (класс нескальных грунтов). Второй класс включает в себя осадочные несцементированные и искусственные грунты. Рассмотрим группу осадочных несцементи- рованных грунтов, включающих: 1) крупнообломочные; 2) песчаные; 3) пылевато-глинистые; 4) обломочные пылевато-глинистые (лессовидные); 5) озерные; 55 6) биогенные (болотные, аллювиально-болотные и др.) грунты; 7) почвы (дерновые, подзолистые и т.д.). В данной лабораторной работе остановимся на изучении первых трех групп, являющихся основанием для транспортных сооруже- ний, а также источником получения дорожно-строительных мате- риалов. Обломочные грунты характеризуются следующими показателями; 1. Степень влажности (ГОСТ 5180-84) W " max где W - естественная влажность грунта; fVmcix - полное водонасыщение грунта, т.е. заполнение всех пор водой, причем из породы удален под вакуумом воздух. 2. Число пластичности (ГОСТ 5180-84) ip=WL-Wp, (7.2) где WL - влажность, соответствующая границе текучести; WP - влажность, соответствующая границе раскатывания. 3. Показатель текучести (ГОСТ 5180-84) W-Wn I = £_ , (7.3) L W -W L Г где показатели - такие же, как в предыдущих формулах. 4. Относительная просадочность (ГОСТ 23161-78) &SL , (7.4) 56 еде AhSL - уменьшение высоты образца; h - первоначальная высота образца. 5: Относительное набухание без нагрузки (ГОСТ 24143-80) £ (7.5) sir h г де AhSir - увеличение высоты образца. 6. Коэффициент пористости (ГОСТ 5180-84) е __ Vnop -PS-Pd ; (7.6) vrr.e Pd где Vnop - объем пор грунта; Vme - объем твердой фазы грунта; ps - плотность частиц грунта, Ра - плотность сухого грунта. 7. Показатель максимальной неоднородности (ГОСТ 12536-79) U ^d (77) итах и 50 , 5 где ds, dsc, dss - диаметры частиц, содержащихся в грунте соответст- венно в количестве 5,50, 95%. 8. Относительное содержанке органического вещества (ГОСТ 23740-79) т ~n lonL , (7.8) * от 4 m d 57 где т о т - масса органического вещества; ntj - масса сухого грунта. 9. Степень засоленности Д ^ ^ . Ю О , (79) md где msai - масса солей в грунте (легкорастворимых: хлоридов, би- карбонатов, карбоната натрия, сульфата магния и натрия; средне- растворимых: гипса, ангидрита). 10. Прочность осадочных грунтов оценивается: 1) сопротивлением при статистическом зондировании qc (ГОСТ 20069-81); 2) сопротивлением при динамическом зондировании pj ОС 1 iy9iz-81); 3) скоростью ударно-вибрационного зондирования V (ГОСТ 19912-81). Следует иметь в виду, что прочность песчаных грунтов оценива- ется по всем трем показателям, а пылевато-глинистых — только по первым двум. 7.2. Классификация фунтов без жестких структурных связей Классификация грунтов производится в соответствии с разделе- нием их свойств и характеристик по типу, виду и разновидности. Тип - это разделение грунтов по петрографическому, грануло- метрическому составам и числу пластичности. Вид - это разделение по структуре, текстуре, степени неоднород- ности, содержанию заполнителей и органических веществ. Разновидность - это разделение по физическим, механическим и химическим свойствам. Классификация крупнообломочных грунтов представлена в табл. 7.5. 58 Согласно СТБ 943-93, песок - это горная порода, в грануломет- рическом составе которой масса частиц крупнее 2 мм составляет менее 50%, а число пластичности 1Р<1. Песчаные грунты классифи- цируются только по виду и разновидности (табл. 7.6). Пылевато-глинистые грунты классифицируются по типу, виду и разновидности (табл. 7.7). Т а б л и ц а 7.5 Классификация крупнообломочных грунтов Тип Вид Разновидность По гранулометриче- скому составу: валунный грунт (при преобладании неока- танных частиц - глы- бовый) - при массе nav I Им <) riGv i w ivuvi • Sno/„ галечниковыи грунт (при преобладании неокатанных частиц - щебенистый) - при массе частиц крупнее 10 мм более 50% гравийный грунт (при преобладании неока- танных частиц - дрес- вяный) - при массе частиц крупнее 2 мм более 50% По составу и содержанию заполнителя: с песчаным заполнителем - при его содер- жании более 40% с пылевато- ГЛИНИСТЫМ заполнителем - при его содер- жании более 30% (состав запол- нителя уста- навливается после удаления из образца груша частиц крупнее 2 мм) По степени влажности Sr: маловлажный 0 40 По относительному содержанию органи- ческого вещества 1от: По степени засоленно- сти D - %: без примеси органического вещества незасоленный DMi < 0,5 lor < 0,03 засоленный Dsai> 0,5 с примесью органического вещества 0,03 <1от< 0,1 60 Т а б л и ц а 7.7 Классификация пылевато-глинистых грунтов Тип Вид Разновидность 1 По числу пластично- сти 1р, %: супесь 1 < iP ^ 7 суглинок 7<1 Р < 17 глина 1Р> 17 По содержанию включений по массе: с галькой (щебнем) либо с гравием (дрес- вой) при содержании соответствующих частиц крупнее 2 мм 15...25%' галечниковый (щебе- нистый) либо граве- листый (дресвяный) при содержании соответствующих частиц крупнее 2 мм 26... 50% По относительному содержанию органи- ческого вещества 1от : без примеси органи- ческого вещества 1ОТ < 0,05 с примесью органиче- ского вещества 0,05 <1ОТ< 0,05 По прочности: qc (ГОСТ 20069-81) РЛГОСТ 19912-81) По показателю текучести IL (консистенции): супесь твердая IL < 0 супесь пластичная 0 < L < I супесь текуча» II > 1 суглинок и глина: твердые IL < 0 полутвердые 0 < IL < 0,25 тугопластичные 0,5 < 1L < 0,75 мягкопласгичные 0,5 < IL < 0,75 текучепласгачные 0,75 < IL < 1 текучие II > 1 61 Окончание табл. 9.1 1 2 3 По коэффициенту порис- По относительной проса- тости е: дочности eSL: низкопористые е < 0,8 непросадочный eSL < 0,01 высокопористые е > 0,8 просадочный eSL > 0,01 По относительному набу- ханию e s w : ненабухающий eSw < 0,04 слабонабухающий 0,04 S esw < 0,08 средненабухающий 0,08 £ e s w < 0,12 сильнонабухающий s s w > 0,12 По степени засоленности Dsai, %, супесь и суглинок: незаселенный D i^ < 5 засоленный D i^ > 5 62 0 гц V) ©" ""V f-Ч i & И «Л 40 8 ок ат . VI п Tf © " so ©* (N и © ГЦ VI не - ок ат . 0, 01 © Vl © " TJ- о" < F-4 m о ГЦ ГЦ £ ока т. о о" о -t 40 © " ГО О 1—1 fS VO •п vo не - ок ат . о" © in о Л! О SO ок ат . 0, 01 © 95 о' •t -t 40 о С! V, V! не - ок ат . о . © о" * ri о ч- VI VO ок ат . 1 о © ГЦ 40 ©* ГЦ о ГЛ ГЧ О 40 не - ок ат . 1—< о о" VI ГЦ VI < - n о <4 vi vo ок ат . о. © П о" - Н аи м ен ов ан ие по ка за те ле й (S ра зм ер гр а- ну ли р. э ле - ме нт ов , мм A V® I I | 1 1 1 ! ввд п о- ве рх но ст и ра зм ер за - по лн ит ел я со де рж а- ни е с/5 о Н аи м ен ов ан ие по ка за те ле й Гр а- ну ло - ме т- ри че - ск ий со ст ав За по л- ни - те ль « i - ГЦ СП 63 00 к I ц § О 2 W, СЛ © m © so ' fa 8 i V-J 00 о" t © " 1 ©" 00 © V") © © SO ©" 1Л ©" ОС © <*> •r> © * g © о § © * © © У о © to Г-© 00 *-« © CN v~> SO о" SO о"1 " >л 1 ©' © ГЧ <л 00 Ml •4" U-l © § м о •n ** 00 о" © * rt 8 о OS •n © oo © " t f © fs) о © Os © * • ГГ) О w 8 © " 2 00 U4 ©" «-J V, Vl m © © < sC "Л с. о (N ос © г- r«i o" © so © ro гч © oo r- Г* 1 о О CI OS ©" OS © о" г-© 45 © < V) •Л © cs "Г) ГЛ © - © 6 о >г. © " f-Ч 8 гл © . » & g & 5 8 S Is 1*1 Я й) и iis i i Й 1 N^ 571 r. 8 § J J v? £ Я S f Й a 1 i i я Й S3 я ЗГ » <и 8 S 0) И и •S к « * * S i о * и >за 2 a a s g | g Lh Я S O. >•)// J , у/^/'А Супесь / ! I 'Г ^г^ИМергель Y f f r S У Супесь валунная I4O1JVV il'lrtiV j. -t *• •+ J 11 „ и , н „ н . Ч ^ т ^ Г 69 8.2. Построение геологического разреза Геологические разрезы представляют собой изображения залега- ния пород на мысленно проведенной плоскости вертикального се- чения земной коры от ее поверхности на ту или иную глубину. На основании фрагмента геологической карты (рис. 8.2) соста- вим геологический разрез района, представленного на карте. Рис. 8.2, Геологическая карта района, сложенного горизонтально залегающими породами Геологический разрез выполняется по сечениям, обозначенным на карте в масштабах: горизонтальный - 1 : 25 ООО (в 1 см 250 м); вертикальный - 1 : 1 0 ООО (в 1 см 100 м). Пример составления геологического разреза показан на рис. 8.3. 70 гравий песок известь мергель мел Рис. 8.3. Пример выполнения геологического разреза Начерченный на отдельном листе геологический разрез раскра- шивается в соответствии с цветным обозначением, представленным в табл. 8.1. Задание 1. На стратиграфической колонке в возрастной последовательности снизу вверх от древних к молодым условной штриховкой нанести до- четвертичные осадочные, магматические и метаморфические породы, 2. Слева от колонки указать возраст породы и индекс, справа - мощность (в метрах) и описание породы. 3. Составить стратиграфическую колонку на основании описа- ния геологических скважин (табл. 8.3). Пример составления стратиграфической колонки приведен на рис. 8.4. Раскрасить колонку в соответствии с возрастом породы. Т а б л и ц а 8.3 № сква- жины № слоя Геоло- гиче- ский индекс Описание пород Глубина залегания от ДО 1 2 3 4 5 6 1 1 2 3 4 Q Песок желтый мелкозернистый Супесь красно-бурая, валунная Суглинок бурый Мел серовато-белый обводненный 0,0 1,2 66,0 74,0 1,2 66,0 74,0 89.0 о 1 j. о i. 3 4 XT 1 "Ч л. jmna л^а^пи-иурал, с иси^пами Суглинок красный Гравий крупный с галькой и линзами глины валунной, бурой Известняк серый, переслаиваю- щийся с голубовато-серой гли- ной, водоносной 0,0 I f Л 43,0 70,0 лг л1 JJ,\J 43,01 70,0 120,0 71 Окончание табл. 8.3 1 2 3 4 5 6 3 1 Р Суглинок желто-бурого цвета, валунный 0,0 34,0 2 Известняк доломитовый, трещиноватый 34,0 54,0 3 Гравий глинистый, водоносный 54,0 78,0 4 Гранит серый 78 85,0 4 1 Q Торф 0 2,5 2 Песок темно-серый, мелкозернистый, 2,5 5,0 слегка пылеватый, кварцевый 3 Суглинок бурый с линзами песка свет- 5,0 28,0 ло-серого, разнозернистого, с преобла- данием крупной фракции, кварцевого с включениями полевого шпата темных минералов, валунный 4 Мел серовато-белый, трещиноватый, 28,0 53,0 местами с гнездами песка 5 Мергельно-меловая толща с включе- 53,0 82,0 ниями кремния 5 1 N Глина бурая, плотная, жирная, с валунами 0,0 19,0 2 Мел серый плотный 19,0 50,0 3 Известняк мергелистый, серый 5о'о 79.0 4 Доломит 79,0 91,0 L 5 Гранит 91,0 98,0 Система Индекс Колонка Мощность, м Лкгологиче ский состав Четвер- тичный Q - " * ' - ~ " 't 1 2.3 песок мелкозернистый Неоген N * м м * <4 ( 20 суглинок желто- Ьурый, валунный Неоген N .<». г, ,';4f'i.'. г'. •••V'i У' , '-H-H-T-LtJ-T- 15 гравий крупный с галь- кой и лито«ми шины ва- лунной, бурой мел серовато-белый, Меловой f К 30 оЬводненныи ювестнлк серый, пере- г.пеиплющийся с голу- Ьо*«то серой глиной, «одпносный Рис. 8.4. 11римср состнилсния (прнтгрпфичоскоП конники Выполнение лабораторной работы осуществляется повариантно. Исходные данные см. в табл. 8.4. Т а б л и ц а 8.4 Исходные данные Показатель Сечение скважины Варианты I - I 1 6 11 Геологический разрез II-II 2 7 12 III - III 3 8 13 IV- IV 4 9 14 V - V 5 10 15 1 1 10 14 2 2 8 15 Скважина 3 3 9 12 4 4 п / 1 1 5 5 6 13 Вопросы для самопроверки 1. Какие методы применяются для определения возраста породы? 2. Что отражает геологическая карта? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА ГРУНТА ВИЗУАЛЬНЫМ МЕТОДОМ Цель работы: 1. Изучение классификации методов определения гранулометри- ческого состава грунтов. 2. Определение наименования грунта визуальным методом и по- строение геологической колонки, 73 Аппаратура: Лабораторный микроскоп, предметное стекло, стеклянный стакан. 9.1. Физические свойства горных пород Физические свойства горных пород - это такие свойства, кото- рые определяют их физическое состояние и отношение к воде и оцениваются с помощью определенных показателей - характери- стик. Они отражают качественное состояние грунта - т.е. его плот- ность, влажность, пористость, консистенцию, трещиноватость в условиях естественного залегания и при нарушенной структуре. Исследование физических свойств горных пород имеет не только инженерное, но и общее геологическое значение, т.к. позволяет расширить область изученности горных пород, отражает изменения, которые произошли в результате длительного геологического разви- тия, а также дает возможность спрогнозировать возможные измене- ния под воздействием воды, что имеет большое значение при ис- пользовании горных пород в качестве основания искусственных сооружений. Основными показателями, характеризующими физические свой- ства грунтов, являются: гранулометрический состав: показатели плотности (плотность дисперсного, сухого грунта, частиц грунта, пористость, коэффициент пористости); показатели влажности (влажность, характеризующая границы пластичного состояния грунта - текучести и раскатывания); коэффициент фильтрации. По основным физическим свойствам можно косвенно судить о прочности, деформируемости и устойчивости горных пород. Физические свойства горных пород определяют на образцах с ненарушенной структурой, - когда необходимо знать свойства грун- та, находящегося в конкретном месте строительства и восприни- мающего нагрузку от инженерного сооружения, - либо с нарушен- ной структурой, - когда необходимо произвести сравнительный анализ либо иметь представление о виде грунта и его возможностях. Основные физические свойства горных пород представлены в табл. 9.1. 74 Т а б л и ц а 10.1 Основные характеристики физических свойств горных пород № лаб. ра- боты Характеристика Обоз- наче- ние Формула для вычисления Размер- ность 1 1 2 ^ 4 5 j Лаб. раб. № 9 Закон Стокса \т У ' " 9 й ' 1 ч ) см/с Лаб. раб. № 11 Содержание фракции А А = — 100 m % Лаб. раб. № "13 Влажность естественная, ГКГр0СК01ТИЧЙс екая W w = m°»-m° -100 mc -mg % Лаб. раб. № 17 о-pj W = ' -100 Pd % Лаб. раб. № 13 Степень влаж- ности Sr Srm W SrmWp(X-n) безраз- мерная Лаб. раб. № 15 Sr-Ps'W Pw -e Лаб. раб. № 14 Плотность р tti] — MQ — mi P- r г/см3 Лаб. раб. № 14 Плотность сухого грунта Ра о ^ P d 1 + 0.011F г/см 3 Лаб. раб. № 15 Плотность частиц грунта Ps Щ -Pw Ps - m6 -mpr г/см3 75 Продолжение табл. 9,1 1 2 3 Лаб. раб. № 15 Пористость п n / n o p . m V % Лаб. раб. № 15 „ = ^ - ^ • 1 0 0 PS % Лаб. раб. № 15 I . J 1 - p 1 [_ Ps(\+mw) •100 % Лаб. раб. №18 % Лаб. раб. №15 Коэффициент пористости е e J n o p - m vT безраз- мерная Лаб. раб. № 15 Pd безраз- мерная Лаб. раб № 16 Степень уплотне- ния Ку Ky= P< Pd max безраз- мерная Лаб. раб. № 19 Коэффициент внутреннего трения f f~tga безраз- мерная Лаб. раб. №20 Число пластич- ности h % Лаб. раб. №20 Консистенция h w-wn h - wL-wP % Лаб. раб. №21 Закон Дарси V У = Кф! м/сут Лаб. раб. №21 Коэффициент фильтрации Kio h-864 Г S AT10 ^ 10 t-т L # 0 м/сут 1 76 Окончание табл. 9.1 1 2 3 4 5 Лаб. раб. №23 Величина отно- сительного набу- хания 6sw Ah безраз- мерная Лаб. раб. №24 Усадка образца грунта по высоте, диаметру, объему HSL h-hK h d-dK Esd = d „ . v-v* ° s y V безраз- мерная Лаб. раб. №21 Содержание растительных остатков Iот ms % 9.2. Классификация методов определения гранулометрического состава грунтов Наиболее часто применяемые методы определения гранулометриче- ского состава грунта могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые методы позволяют непосредственно выделять необхо- димые фракции, взвешивать и определять их процентное содержа- ние в породе, а также использовать выделенные фракции для изу- чения минерального состава. К прямым методам относятся: ситовой, пипеточный, метод А.Н.Сабанина (отмучивания). Косвенные методы не предусматривают разделения породы на фракции, а позволяют оценивать вид грунта по сопутствующим характеристикам. Они основаны на изучении некоторых свойств исследуемой породы, по изменению которых можно судить о со- держании в ней тех или иных фракций. К косвенным методам относятся: ареометрический, визуальный и метод С.И.Рутковского. Ареометрический метод гранулометрического анализа пород ос- нован на измерении плотности приготовленной из них суспензии в процессе ее отстаивания. В его основу положен закон Стокса, ка- сающийся скорости падения шарообразных частиц в воде под влия- нием силы тяжести: 77 V = cr2 =~gr2 9 Ps - Pw V (9.1) где V - скорость падения частиц в воде, см/с; g - ускорение силы тяжести, см/с2; г - радиус частиц, мм; ps - плотность частиц грунта, г/см3; pw ~ плотность воды, г/см3, t] - вязкость воды, Пз. На основании этого закона построена номограмма, по которой может быть найден диаметр частиц, прошедших единицу пути в жидкости в определенное время. d = 4Tv где А = 1800 Г = Я g(PS-Pw)' * (9.2) (9.3) где Я - путь частицы, см; t - время падения частиц, с. Таким образом, зная плотность суспензии, по расчетным форму- лам или по номограмме определяют количество грунтовых частиц определенного размера. Ареометрический метод пригоден для ана- лиза глинистых грунтов. 9.3. Определение вида грунта в полевых условиях и построение геологической колонки Для исследования рыхлых невязких песчаных и мягких гли- нистых пород в полевых условиях наиболее приемлемым являет- ся один из косвенных методов - визуальный, дающий прибли- женное представление о гранулометрическом составе породы. С учетом того, что анализ этим методом занимает непродолжи- тельное время и не требует специального оборудования, он ре- комендуется для массовых исследований и приближенного суж- дения о составе песчаных и глинистых пород. С помощью визу- ального метода нельзя установить процентное соотношение тех 78 или иных фракций в грунте, но с достаточной достоверностью можно выделить основные разновидности грунтов. Наиболее часто этим методом пользуются при инженерно-геологических изысканиях, в которые входит полевое обследование грунтов в различных выработках - расчистках, шурфах, шахтах, буровых скважинах. При этом составляются геологические колонки и инженерно-геологические разрезы (см. лаб. раб. № 8). Геологическая колонка представляет собой разрез по скважине или по шурфу, для составления которого необходимо знать вид грунта, глубину его залегания, мощность слоя (табл. 9.2). Т а б л и ц а 9.2 Форма записи геологической колонки Разрез Глубина ПОДОШВЫ, м Мощность отол, м Вид грунте и его описание • (v 1 f : . • * г 0,50 0,50 песок ж&шго-красный мелко- зернистый средней т о ш о с ^ и У;, /S 0,97 0.47 супесь светло-сераямелко- ззснистая средней плотнеет щ П £ < мореный т®кеяый суглинок, туго пластичный, очень плот-ный, с внпоченижми окатан- ных гс иийных 44CTKLI • ** 0,68 такие песчаная с включения-ми окатанных гравийных час-тиц, коричневого цеета В данном случае вид грунта определяется визуальным методом, включающим в себя следующий комплекс операций: растирание грунта на ладони, скатывание в шнур, скатывание в шарик, рас- сматривание через увеличительное стекло. Растирание па ладони. Исследуемый грунт Б количестве 30...50 г высыпают на ладонь руки; указательным пальцем противополож- ной руки растирают его на ладони; затем фиксируют личные ощу- щения об однородности грунта, величине частиц, запыленности, наличии крупных включений, влажности, цвете и др. Восприятия фиксируются в рабочем журнале. Рассматривание грунта через увеличительное стекло. Грунт с ладони переносят на предметное стекло и распределяют на нем тон- ким слоем. Через увеличительное стекло или окуляры микроскопа рассматривают отдельные частички, устанавливают цвет, прозрач- 79 ность, характер окатанности частиц, прилипание более мелких фракций, наличие пленки воды на поверхности частиц, содержание белых, светлоокрашенных, темных кристаллов и их процентное соотношение между собой. Скатывание в шнур. Небольшое количество грунта (30...50 г) ув- лажняют несколькими каплями воды, чтобы грунт приобрел связность и способность к формованию. Из влажного грунта формируют шарик на ладони руки, ребром ладони противоположной руки раскатывают его в шнур. При этом может быть различное отношение грунта к этой операции - от невозможности скатывания грунта в шарик до раскаты- вания в шнур диаметром 2...3 мм, при котором грунт может распа- даться на отдельные кусочки. Наблюдения за реакцией грунта на воз- действие влаги и пластические деформации, сохранением связности при раскатывании заносятся в рабочий журнал. Скатывание в шарик. Небольшое количество грунта, смоченного водой, скатывают в шарик. Песчаный грунт скатать в шарик невоз- можно; чем больше глинистых частиц, тем ровнее и прочнее шарик. Сформированный шарик на ладони превращают в лепешку. Чем больше в грунте песчаных частиц, тем больше по краям лепешки трещин и разрывов; чем больше глинистых частиц, тем ровнее края лепешки и меньше трещин по краям. Наблюдения за состоянием грунта заносятся в журнал (табл. 9.3). Т а б л и ц а 9.3 Журнал наблюдений Признаки, определяющие вид грунта Наи-| ме- 1 нова-! иие I груи-1 та I растирание на ладони рассматривание в микроскоп скатывание в ШНУР скатывание в шарик одно- род- ность и вели- чина зерен j запы- лен- ность, влаж- ность нали- чие гли- нис- тых агре- гатов цвет, про- зрач- ность ока- тан- ность зе- рен, плен- ки воды нали- чие свет- лых и тем- ных зерен пла- стич- ность иде- фор- мируе- мость воз- мож- ность рас- каты- ва- нияв шнур воз- мож- ность ска- тыва- ния в ша- рик нали- чие тре- щин на ле- пеш- ке 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 j Результаты наблюдений сравнивают с признаками, характери- зующими различные виды грунта (табл. 9.4), и делают вывод о его наименовании. 80 81 t- су пе сь ле гк ая су пе сь пы ле - ва та я су пе сь тя ж е- ла я пы ле - ва та я су гл и- но к ле гк ий су гл и- но к ле гк ий пы ле - ва ты й V© ср ед не - пл ас ти че н пл ас ти чн о пл ас ти че н сл ег ка ли пк ое и пл ас ти ч- но е ли пк ое и пл ас ти ч- но е w-l ко мь я гр уш а ра зр уш аю тс я от д ав ле ни я ру ки св яз но ст и п оч т не т св яз но ст и по чт и не т ко мь я ле гк о ра зв ал ив а- ю тс я пр и уд ар е мо ло т- ко м и д ав ле - ни и ру ко й ко мь я с тр уд ом ра зд ав ли ва - ю тс я ру ко й пр ео бл ад аю т пе сч ан ы е ча ст иц ы ; до ст ат оч но е ко ли че ст во п ы ле ва то - гл ин ис ты х ча ст иц 1 0 г я о 1 о 2 * fe 3 i 5 H i 1 1 1 t i l 1 Щ с 1 2 1 S к в У р й 1 2 а од 5 я 1 | 5 X Я у з а ~ 2 Р 5 з H S & 3 1 1 1 1 ? я. Я I 1 » I S S ? в S li CJ S1 в f к Й" s 1 1 0 а % я ¥ " 1 5 s Р « J3 " « 5 V йй * § §• о U ё ЁГ го ле пе ш ка с о- де рж ит б ол ь- ш ое к ол ич ес т- во т ре щ ин ш ар ик и ме ет ш ер ох ов ат ую по ве рх но ст ь ск ат ы ва ет ся в ш ар ик ; л еп еш - ка и ме ет не бо ль ш ие тр ещ ин ы йм « ё я И ^ а Й о. s § о н ш ар ик с ка ты - ва ет ся с г ла д- ко й по ве рх но - ст ью сч ск ат ьп ш ет ся в то лс ты й ш ну р тр уд но ск ат ы ва - ет ся в ш ну р ди ам ет ро м 3 м м ра ск ат ы ва ет ся в ш ну р ди ам ет ро м 3 мм дл ин но го ш ну ра не п ол уч ае тс я; ш ну р пр и сг иб а- ни и об ра зу ет тр ещ ин ы ш ну р ск ат ы ва ет - ся х ор ош о - П ес ча но -п ы ле ва та я ма сс а в пр ис ут ст - ви и пе ск а • к 9 л и Я 1 8 У CZ £ Я I'S б й к 4 1 0 « 6 - 1 1 I I | 1 ? 1 а X S3 ° б § & 8 Ра ст ер та я на л ад о- ни м ас са н е да ег ощ ущ ен ия о дн о- ро дн ог о по ро ш ка Яв но е; о щ ущ ен ие св яз ан но ст и, о щ у- щ аю тс я пе сч ан ы е ча ст иц ы 82 1) я i n! X § О f- су гл и- но к тя ж е- лы й су гл и- но к тя ж е- лы й пы ле - ва ты й гл ин а (в се х ра зн о- ви дн о- ст ей ) 40 ли пк ое и пл ас ти ч- но е ли пк ое и пл ас ти ч- но е си ль но пл ас ти ч- но е, ли пк ое ; па чк ае т ру ки ко мк ов ат ы й, ко мь я да вя т- ся р ук ой с тр уд ом ко мь я да вя т- ся с т ру до м тв ер ды е ко мь я не ра сс ы па ю тс я в по ро ш ок пр и уд ар е мо ло тк ом rh на ф он е то нк ог о по ро ш ка в ид ны зе рн а и ко мь я пы ли на ф он е то нк ог о по ро ш ка в ид ны пе сч ан ы е зе рн а то нк ий с пл ош но й по ро ш ок ; кр уп ны е зе рн а по чт и от су тс т- ву ю т хо ро ш о ск ат ы ва ет ся в ш ар ик , к от ор ы й пр и ра зд ав ли ва ни и об ра зу ет л еп еш ку с тр ещ ин ам и го к ра ям хо ро ш о ск ат ы ва ет ся в ш ар ик , п ри р аз - да вл ив ан ии о бр аз у- ет г ла дк ую л еп еш ку ш ар ик п ри с да вл и- ва ни и ле пе ш ки п о кр ая м н е ра ст ре ск и- ва ет ся 50 . 1 ... 7 легкая >50 1 ... 7 пылеватая 50 ... 20 1 ... 7 тяжелая пылеватая <20 1 ... 7 Суглинок: легкий >40 7 ... 12 легкий пьшеватый <40 7 ... 12 тяжелый > 40 п п х^ . ... 1 / тяжелый пылеватый <40 12 ... 17 Глина: песчаная > 40 17 ... 27 пылеватая <40 17 ... 27 жирная не регламентируется >27 91 Задание 1. Определить содержание крупнообломочных, песчаных и пы- левато-глинистых частиц обозначенного грунта, 2. По результатам проведенного опыта и на основании СТБ 943-93 определить наименование грунта. Вопросы для самопроверки 1. Какой глинистый минерал имеет наибольшую степень набуха- ния при увлажнении и почему? 2. Как определить наименование грунта по результатам петро- графического состава, полученным по методу С.И.Рутковского? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА ГРУНТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СИТОВОГО МЕТОДА Цель работы. 1. Изучение методов определения зернового микроагрегатного состава грунтов. 2. Определение ситовым методом гранулометрического состава грунта. 3. Определение наименования грунта по результатам ситового метода. Аппаратура: Набор сит (с поддоном) с отверстиями размером 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25 мм, весы технические, стаканчики стеклянные, ступка фарфо- ровая, пестик с резиновым наконечником. 11.1. Характеристика прямых методов определения гранулометрического состава грунтов Как было отмечено в лаб. раб. № 9, к прямым методам относят- ся: ситовой, пипеточный и метод А.Н.Сабанина. 92 Пипеточный метод применяется для определения содержания в песчаных и глинистых грунтах фракций 0,05... 0,01 мм; 0,01... 0,005; 0,005...0,001 мм и меньше 0,001 мМ. Как и метод С.И.Рутковского, он основан на учете скорости падения частиц в воде. Из приготов- ленной суспензии пипеткой с определенной глубины через различ- ные промежутки времени отбирается проба, содержащая только частицы, не успевшие осесть за указанное время отстаивания. Взя- тые пробы выпаривают, высушивают и взвешивают. Зная массу и размер отобранных частиц, вычисленных по длительности отстаи- вания суспензии и глубине взятия пробы, производят расчет содер- жания частиц этого размера во всем объеме суспензии. Метод А.Н.Сабанина (отмучивания) применяется для определе- ния содержания фракций более 0,5 мм; 0,5...0,25; 0,25...0,1; 0,1...0,05; 0,05...0,01 мм и менее 0,01 мм. Метод А.Н.Сабанина, как и пипеточный, основан на разделении грунта на фракция по скорости падения частиц, взвешенных в спо- койной жидкости, но отличается тем, что взмучивание и сливание суспензии производится многократно (в пипеточном - только один раз). Анализ гранулометрического состава методами отмучивания и пипеточным трудоемок и требует большой затраты времени на мно- гочисленные операции по выпариванию, высушиванию и взвеши- ванию. Зерновым составом грунта называется относительное содержа- ние по массе частиц грунта различной крупности, выраженное в процентах к общей массе сухого грунта. В зависимости от размеров частицы грунта разделяют на отдель- ные группы, называемые фракциями Для определения зернового состава грунта производят анализ, заключающийся в разделении пробы грунта на фракции с помощью набора стандартных сит: затем находят процентное отношение каж- дой фракции к общей величине навески. Зерновой состав является одной из важнейших характеристик грунта, имеющих существенное значение для оценки его физико- механических свойств при использовании в строительстве. Зерновой (гранулометрический) и микроагрегатный состав грун- тов определяется методами, указанными в табл. 11.1. 93 Т а б л и ц а 10.1 Методы определения состава грунта Наименование грунтов Состав грунта Метод определения Песчаные при [выделении [зерен песка j крупностью от 10 до 0,5 мм гранулометриче- ский (зерновой) ситовой без промыв- ки водой от 10 до 0,1 мм ситовой с промывкой водой I Глинистые гранулометриче- ский (зерновой) ареометрический гранулометриче- ский (зерновой) и микроагрегатный пипеточный (приме- няется только для специальных целей) Ситовой метод используется для определения гранулометриче- ского состава песчаных грунтов. Для проведения анализа методом квартования или вычерпывания (см. лаб. раб. № 10) отбирают сред- нюю пробу воздушно-сухого грунта, масса которой принимается в зависимости от размера частиц исследуемого грунта (табл. 11.2). Т а б л и ц а 11.2 Масса средней пробы Содержание грунтовых частиц Масса средней пробы размером 2 мм, % воздушно-сухого грунта, кг 0 0,1 менее 10 0,5 I 10...30 1,0 более 30 не менее 2,0 Подготовка пробы для ситового анализа включает предвари- тельное высушивание и растирание в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником. 94 11.2. Определение гранулометрического состава грунта Сита монтируют в колонку, размещая их на поддоне в порядке увеличения размера отверстий. На верхнее сито надевают крышку. На весах взвешивают среднюю пробу грунта с точностью (со- гласно ГОСТ 12532-79) для пробы массой 500 г - 0,1 г, массой 1000 г и более - до 1 г. Взвешенную пробу грунта просеивают сквозь набор сит с под- доном ручным или механизированным способом. При ручном про- сеивании движение набора сит следует производить только в гори- зонтальной плоскости. Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, высыпают в ступку, на- чиная с верхнего сита, и дополнительно растирают пестиком с резино- вым наконечником, после чего вновь просеивают на этих же ситах. Полноту просеивания фракций грунта проверяют контрольным встряхиванием каждого сита над листом бумаги; если при этом на лист попадают частицы, их высыпают на следующее сито. Просев продолжают до тех пор, пока на бумагу не перестанут выпадать частицы. Фракции грунта, задержавшиеся после просеивания на каждом сите, и фракции, прошедшие в поддон, переносят в заранее взве- шенные стаканчики и взвешивают. Результаты взвешивания заносятся в табл. 11.3. Таблица. .11.3 Результаты определения зернового состава грунта Параметры ф, эакции грунта Суммарное содержание фракции >10 10...5 5...2 2...1 1 .0 ,5 0.5... 0.25 <0,25 Масса пробы грунта т , г Масса фракций грунта ш„ г Содержание фракций А, % Содержание частиц, мм >10 >5 >2 >1 >0,5 >0,25 - Содержание частиц, % 95 Содержание в грунте каждой фракции определяется с точностью до 0,1 % из выражения А^-ЮО, т где ш; - масса данной фракции грунта; m - масса средней пробы, взятой для анализа, г. Если содержание фракций размером менее 0,25 мм превышает 10%, анализ при необходимости может быть продолжен ареометри- ческим или пипеточным методом. Суммарное содержание фракции должно составлять « 100%. При расхождении масс до и после проведения анализа более чем на 1% анализ повторяют. Если потеря грунта при просеивании - менее 1%, ее разносят по всем фракциям пропорционально их массе. По результатам исследований (табл. 11.3) определяют наимено- вание грунта, для чего последовательно суммируют процентное со- держание частиц исследуемого грунта: сначала - крупнее 10-ти мм, затем - крупнее 5-ти мм, 2-х мм и т.д. Наименование грунта опре- деляют по первой сумме, удовлетворяющей показателю содержания частиц в грунте в соответствии с СТБ 943-93 (табл. 7.6). Задание 1. Отобрать среднюю пробу грунта. 2. Разделить пробу на фракции. 3. Определить наименование грунта в соответствии с СТБ 943-93. Вопросы для самопроверки 1. Какими методами определяют гранулометрический состав грунта, если помимо песчаных частиц грунт содержит более 10% частиц менее 0,25 мм? 2. Обосновать выбор наименование груша, гранулометрический состав которого определен в лабораторной работе. 96 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а Ns 12 ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ГРУНТА Цель работы: 1. Изучение гранулометрического состава исследуемых грунтов с помощью циклограмм. 2. Построение суммарной кривой гранулометрического состава и определение степени неоднородности состава. 3. Определение наименования грунта с помощью треугольника Фере. Аппаратура: Набор сит с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25 мм, весы технические, стаканчики стеклянные, ступка фарфоровая, пестик с резиновым наконечником, чашка фарфоровая, стеклянный мерный цилиндр. 12 1 Изображение гранулометрического состава грунта с помощью циклограммы Результаты гранулометрического анализа, представленные в ви- де таблиц, неудобны для пользования и лишены наглядности. В связи с этим для удобства сравнения различных грунтов между со- бой их гранулометрический состав обычно изображается графиче- ски в виде диаграмм, циклограмм и других графиков. Диаграмма представляет собой ступенчатое изображение от- дельных фракций; на ней наглядно показано уменьшение или воз- растание отдельных составов. Циклограмма представляет собой круг произвольного диаметра, разделенного на секторы пропорционально содержанию каждой фракции грунта. Размер сектора устанавливается из расчета: 1% = 3,6°. Зная процентное содержание фракции, находим утол сектора, про- порциональный этому содержанию. Каждый из полученных секто- ров заштриховывают в соответствии с условными обозначениями, приведенными в табл. 12.1. 97 Т а б л и ц а 10.1 Условные обозначения грунтов 1 4 4 4 А « • Гравий ? Супесь пылеватая 2 V . \ ' . >;•' '. : • Песок 8 Супшнок 3 • .vs-v .44 \ w , Песок мелкоз ернистьш 9 ! и И 1 | 1 1 1 Суглинок тяжелый пыпе®атый 4 5 6 , - л г - . : * ъ . io i , ' V ' 7 7 • / Песок крупкоз ернистый Песок с гравием, галькой, s anvHOM Супесь 10 * 11 е о о Суглинок иловатый Морена глинистая Глина пример оформления циклограммы приведен на рис. 12.1. Рис. 12.1. Пример оформления циклограммы 12.2. Построение суммарной кривой гранулометрического состава грунта Суммарная кривая гранулометрического состава грунта (кривая накопления, или кумулятивная) отражает не отдельные фракции, как циклограмма, а сумму фракций частиц менее определенного диаметра. Суммарную кривую строят в полулогарифмическом 98 масштабе, т.е. по оси ординат показывают процентное содержание фракций по совокупности, а по оси абсцисс - логарифмы диаметров частиц в мм. Для построения шкалы по оси абсцисс необходимо выбрать длину отрезка, соответствующего /glO (рекомендуется ог- раничивать этот отрезок 4-мя см). Число отрезков на графике будет равно разнице между наибольшими и наименьшими частицами в гранулометрическом составе. Начало каждого отрезка обозначают величинами 0,001; 0,01; 0,1; 1,0; 10,0. Отрезок разбивают в соответ- ствии с логарифмами чисел. Если IglQ = I будет соответствовать длине 4 см, логарифмы чисел будут равны следующим длинам: lg2 = 0,301 -0,301 - 4 - 1,2 см; lg3 = 0,477 - 0,477 • 4 = 1,9 см; ig4 = 0,602 - 0,602 • 4 = 2,4 см; ig5 = 0,699 - 0,699 • 4 = 2,8 см; 1аб = 0.778 -0,778-4 = 3,1 см; Ig7 = 0,845 - 0,845 • 4 = 3,4 см; lg8 = 0,903 - 0,903 • 4 = 3,6 см; ig9 = 0,954 - 0,954 • 4 = 3,8 см. От начала координат и от каждой граничной метки вправо от- кладывают длину вычисленных отрезков. Из полученных точек проводят вертикальные линии, соответствующие значениям в пер- ппм rrrnptvf О 009' П ООЧ и т IT ИГ| n-MNNVI — О 0 7 ' 0 0 4 и т п R ТПРТЬ- ~ - - —, — — , — — - j i- ем - 0,2: 0.3 и т.д. Пример построения суммарной кривой гранулометрического со- става приведен на рис. 12.2. Рис. 12.2. Пример оформления суммарной кривой 99 12.3. Построение треугольника Фере Метод треугольных координат (треугольник Фере) применяется в тех случаях, когда нужно разделить грунт на три основные фрак- ции - песчаную, пылеватую и глинистую, в сумме составляющие 100%. Метод основан на геометрическом свойстве равностороннего треугольника, согласно которому сумма расстояний любой точки, находящейся внутри равностороннего треугольника, от его сторон есть величина постоянная и равная высоте треугольника. С учетом данного свойства гранулометрический состав графически изобра- жается следующим образом. Каждая из сторон равностороннего треугольника делится на 10 частей и обозначается: песок, пыль, глина. Любая точка, взятая внутри треугольника, спроецированная по координатным осям, дает процентное соотношение каждой из трех фракций. Кроме того, если обозначить поле треугольника по принадлежности к тому или иному виду грунта, можно сразу ска- зать, какую категорию грунта характеризует выбранная точка. Пример построения треугольника Фере приведен на рис. 12-3. т о ю го зо w 50 во го so so юо Пыль (0,05...0,005 мм) 100 Рис. 12.3. Треугольник Фере Задание 1. Начертить циклограммы, отражающие петрографические со- ставы стратиграфических колонок в соответствии с результатами геологических исследований скважин (табл. 12.2). Т а б л и ц а 12.2 Исходные данные для построения циклограмм Вариан- ! 1 1 о 2,12, S 3,13,!0 4,1 4,! 5 15 2" 6 15 3 7,14,4 £,! 3,5 9, ,2,6 in 1 ты № %j % № % Л» % J6 % № % Л» % /6 % № % % Результа- 1 5 ; 6 10 11 15 4 20 S 17 2 12 7 8 12 И 5 9 •ю 14 ты геоло- 2 21 7 22 12 23 5 24 10 13 3 17 8 24 1 18 6 16 i i 15 гических 3 26 8 30 1 28 6 5 11 30 4 29 9 32 2 29 7 25 12 29 исследо- 4 20 9 .20 2 15 7 15 12 10 5 20 10 10 3 30 8 17 jl 30 ваний 5 28 10 18] 3 19 8 36 1 30 6 22 11 26 4 12 9 j 33 12 2. Построить суммарную кривую по результатам гранулометри- ческого состава. Пересчитать фракции на их суммарное содержа- ние, т.е. для каждой последующей фракции взять ее абсолютное значение и прибавить сумму всех предыдущих фракций. Расчеты свести в табл. 12.3. Т а б л и ц а 12.3 Рабочая таблица для построения суммарной кривой | Отдельные фракции Совокупность фракций диаметр частиц, i мм содержание, /О диаметр частиц, мм суммарное содержание, % >10 > 10,0 ! 10...5 <10,0 I 5...2 <5,0 1 2...1 1 n * < 1,0 I 0,5... 0,25 <0,5 j 0,25...0,1 <0,25 0,1. ..0,01 <0,1 ! 0,01...0,001 <0,01 ! <0.001 <0,001 101 Содержание отдельных фракций определить по результатам грану- лометрического анализа (табл. 12.4). Суммарное содержание подсчи- тать снизу вверх. В результате после прибавления фракции > 10,0 мм оно должно быть равно 100%. Т а б л и ц а 12.4 Исходные данные для построения суммарной кривой | Диаметр Варианты [частиц, мм 1,11,9 2,12,8 3,13,10 4,14,1 5,15,2 6,15,3 7,14,4 «,13,5 9,12,6 j 10,11,7 | > 10 2 3 1 1 1 2 2 1 4 2 10...5 2 4 2 1 2 2 2 1 3 2 5.. .2 9 5 3 2 5 3 2 1 3 2 2. . .1 10 8 6 2 10 3 2 1 13 3 1 .0,5 14 20 10 17 4 7 5 27 4 0,5... 0,25 15 20 18 20 17 6 35 10 15 5 1 0,25...0,1 18 20 20 10 10 13 35 26 15 12 0,1...0,01 22 10 30 35 25 59 9 47 15 45 0,01...0,001 6 9 7 8 10 6 * * с 24 <0,001 2 1 з 4 5 2 1 3 0 1 По суммарной кривой гранулометрического состава определить показатель максимальной неоднородности Г/ -А ^95 где d5, dso, d9S - диаметр содержащихся в грунте частиц, составляю- щих соответственно 5, 50 и 95%. По табл. 7.6 определить категорию неоднородности грунта и его тип. 3. Определить вид грунта по диаграмме-треугольнику на основа- нии исходных данных, приведенных в табл. 12.5. 102 Т а б л и ц а 12.5 Исходные данные для обозначения грунта на треугольнике Фере Содержание фракций Варианты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2... 0,05 10 37 53 70 4 20 90 10 40 зо 1 0,05... 0,005 50 55 15 23 36 10 • 5 85 40 60 < 0,005 40 8 32 7 60 70 5 5 20 10 Результаты определений свести в табл. 12.6. Т а б л и ц а 12.6 Результаты определения вида грунта № варианта Содержание фракции Наименование грунта L... 0,05 if, из... 0,005 < 0,005 1 2 3 4 5 Вопросы для самопроверки 1. Какой из изученных способов графического изображения гра- нулометрического состава наиболее полно отражает содержание всех фракций? 2. В чем заключается различие в отражении гранулометрическо- го состава с помощью циклограммы и треугольника Фере? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 13 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА Цель работы: 1. Изучение физических состояний и формы залегания воды в грунтах. 2. Определение естественной влажности грунта весовым мето- дом и расчёт степени влажности. 3. Определение гигроскопической влажности грунта. 103 Аппаратура: Технические и аналитические весы с разновесами, бюкса с крышкой, сушильный шкаф, эксикатор, сита с отверстиями, латун- ный цилиндр с сетчатым дном, фильтровальная бумага. 13.1. Физическое состояние и форма воды в грунтах Вода, заполняющая поры грунта, оказывает большое влияние на многие свойства грунта и на его поведение под нагрузкой. В грун- тах она может находиться в трех состояниях - газообразном (в виде пара), жидком и твердом (в виде льда). Между молекулами воды и грунтовыми частицами существуют определенные связи, оказывающие влияние на степень их присое- динения, - адсорбционная, молекулярная, капиллярная, кристалли- зационная и свободная, или гравитационная. При адсорбционной связи вода является прочносвязашюй, ее мо- лекулы прочно удерживаются адсорбционными силами. Вода по- глощается поверхностью грунтовых частиц из воздуха, содержаще- го водяные пары, удерживается ка поверхности частиц с большой силой, при перемещении не подчиняется действию силы тяжести, передвигается, только переходя в пар. Молекулярная (пленочная) связь образуется в грунте при сгуще- нии водяных паров или после удаления капельно-жидкой воды, ко- торая удерживается силами молекулярного притяжения на поверх- ности грунтовых частиц, но меньше связана, чем прочносвязанная вода, и поэтому называется рыхлосвязанной. Она образует слой пленочной воды, передвигающейся очень медленно из мест, где пленки воды толще, в места, где они тоньше. Температура ее замер- зания ниже 0°С. Наличие в грунтах рыхлосвязанной воды придает им липкость, пластичность, набухаемость, усадку. При капиллярной связи вода, передвигающаяся и удерживаемая в грунте силами капиллярного натяжения, сравнительно легко удаля- ется при высушивании и замерзает примерно при -1°С. Мельчайшие частички этой воды, связанные с грунтовыми частицами, образуют над поверхностью свободных грунтовых вод зону капиллярно- увлажненного грунта и передвигаются под действием сил капил- лярного натяжения и силы тяжести 104 Свободная (гравитационная) вода обладает обычными свойст- вами жидкости, передвигается под влиянием силы тяжести или раз- ности гидростатического давления, заполняет свободные пустоты и поры. Под влагоемкостью понимают способность грунта вметать и удерживать в себе определенное количество воды при возможности свободного ее вытекания под действием силы тяжести. По характеру связи воды в грунтах различают максимальную, капиллярную, пленочную и гигроскопическую влагоемкость. Гигроскопическая влагоемкость соответствует количеству прочно- связанной (адсорбированной) воды, определяется путем высушивания при 100... 105°С воздушно-сухого грунта до постоянной массы. Пленочная, или максимальная молекулярнаяf влагоемкость соот- ветствует количеству физически связанной воды, удерживаемой частицами грунта. По А.Ф.Лебедеву, рыхлосвязанная и прочносвя- занная влагоемкость вместе составляю! максимальную молекуляр- ную влагоемкость. Ее величина у различных грунтов следующая: у песков - менее 7%, у супесей - 1... 15%, у суглинков - 15...30%, у глин - более 30%. Пленочная влагоемкость может быть определена методами центрифугирования, влагоемких сред и высоких колонн. Метод центрифугирования состоит в удалении из образца грунта избытка воды путем воздействия на нее центробежной силы, разви- ваемой центрифугой. При удалении избытка воды в грунте остается только связанная вода, соответствующая величине максимальной молекулярной влагоемкости. Метод влагоемких сред основан на удалении из образца грунта во- ды с помощью гидрофобного материала (фильтровальной бумаги). Методом высоких колонн избыток воды удаляется путем свобод- ного истечения ее из образца грунта, помещенного в стеклянную трубку. Капиллярная влагоемкость характеризуется водой, заполняющей только капиллярные поры в результате поднятия капиллярной воды от уровня грунтовых вод, и зависит от капиллярных свойств грунта - максимальной высоты и скорости капиллярного поднятия воды, ко- торые определяются в лаборатории путем непосредственного на- блюдения за поднятием воды в стеклянных трубках, заполненных исследуемым грунтом, или в специальных приборах - капилляри- метрах. 105 Максимальная (полная) влагоемкость характеризуется полным заполнением пор водой, т.е. включает в себя гигроскопическую, пленочную, капиллярную и свободную воду. Свободная вода не подвержена действию молекулярных сил, связывающих воду с по- верхностью грунтовых частиц. Она передвигается в капельно-жид- ком состоянии под действием силы тяжести и силы поверхностного натяжения. По степени влагоемкости горные породы подразделяются на очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинок), слабовлагоемкие (мел, мергель, лессовые породы, супеси, мелкозернистые пески) и невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозерни- стые пески). 13.2. Определение влажности грунтов Под влажностью грунтов понимают содержание в них воды, уда- ляемой высушиванием при 100... 105°С до постоянной массы. Грунт, высушенный при данной температуре, называется абсолютно сухим. Все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании, называется естественной влажностью грунта. Гигроскопическая влажность - количество воды в грунте, уда- ляемое из воздушно-сухого образца высушиванием при 100... 105°С до постоянной массы. 1. Определение естественной влажности грунта весовым методом. Бюксу с крышкой взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г, нумеруют и помещают в нее 15... 20 г грунта естественной влажности. Взвешивают бюксу с влажным грунтом и с открытой крышкой помещают в сушильный шкаф, в котором поддерживается темпера- тура 105±2°С. Песчаные грунты высушивают в течение 3 ч, осталь- ные - 5 ч. Грунт высушивается до постоянной массы, которая устанавлива- ется периодическими взвешиваниями Перед каждым взвешиванием бюксу закрывают крышкой и помещают в эксикатор с хлористым калием для охлаждения. Разность между двумя взвешиваниями не должна превышать 0,02 г. Результаты заносят в табл. 13.1. 106 Т а б л и ц а 10.1 Результаты определения естественной и гигроскопической влажности Результаты взвешивания, г Естественная влажность грунта Wr, % № пп масса пустой бюксы с КРЫШКОЙ ПТб масса бюксы с влажным грунтом П1ал масса бюксы с сухим грун- том т с 1 2 3 4 5 Влажность представляет собой отношение количества воды, на- ходящейся в грунте, к массе этого грунта w = m4-mc , i 0 0 ; % г ( 1 3 1 ) т , - т б где тв л - масса бюксы с влажным грунтом, г; шс - масса бюксы с сухим грунтом, г; Шб - масса пустой бюксы, г. 2. Определение содержания гигроскопической воды в грунте. Пробу для определения гигроскопической влажности грунта массой 10...20 г отбирают способом квартования из грунта в воз- душно-сухом состоянии, растертого, просеянного сквозь сито с сет- кой № 1 и выдержанного открытым не менее 2 ч при данной темпе- ратуре и влажности воздуха. Среднюю пробу взвешивают на аналитических весах с точно- стью до 0,01 г. Погрешность взвешивания не должна превышать при массе от 10 до 1000 г 0,02 г (ГОСТ 5180-84). Дальнейший ход работы по определению гигроскопической влажности аналогичен ходу работы при определении естественной влажности. При обработке результатов испытаний влажность до 30% вычисляют с точностью до 0,1 %, влажность 30% и выше - с точностью до 1 %. Для определения гигроскопической влажности так же, как и естест- венной, опыт проводят не менее двух раз (расхождение - не более 2%), и за расчетную влажность берут среднюю из трех измерений. Допускается выражать влажность грунта в долях единицы. 107 13.3. Определение полной влагоемкости грунта В природных условиях естественная влажность не всегда соот- ветствует полной влагоемкости, поэтому для характеристики физи- ческого состояния грунта помимо абсолютной влажности необхо- димо знать степень заполнения пор водой. Для определения полной влагоемкости пробу грунта высушива- ют на воздухе до воздушно-сухого состояния. На дно латунного ци- линдра помещают смоченную фильтровальную бумагу и взвеши- вают его с точностью до 1 г. Цилиндр -заполняют грунтом, не досыпая до краев 0,5 см, и опять взвешивают, а затем помещают в сосуд с водой так, чтобы ее уро- вень совпадал с уровнем грунта в цилиндре. Грунт выдерживают в воде до полного насыщения, т.е. до его потемнения. Вынимают ци- линдр из сосуда, оставляют на 10... 15 мин для стекания избытка воды, затем обтирают и взвешивают с влажным грунтом. Для кон- троля за полным насыщением цилиндр вновь погружают в воду и через некоторое время снова взвешивают. Расхождение в массе не должно превышать 2 г. Результаты измерений заносят в табл. 13.2. Т а б л и ц а 13.2 Результаты определения полной влагоемкости Результаты взвешивания, г Полная влажность WnB № масса пусто- масса цилиндра масса цилиндра с пп го цилиндра с сухим грунтом насыщенным Шц П1с грунтом твл 1 2 3 4 5 Полную влагоемкость определяют по формуле WnB = т&~' т<: -100, %, (13.2) тс -тц где шВл - масса цилиндра после насыщения водой, г; шс - масса цилиндра с сухим грунтом, г; mu - масса пустого цилиндра, г. 108 Степень влажности грунта (СТБ 943-93) представляет собой от- ношение объема пор, заполненных водой, к общему объему пор в данном объеме грунта и выражается формулой W sr , (13.3) п пв где W - естественная влажность грунта, %; Wne - полная влагоемкость. Степень влажности может быть выражена через плотность и по- ристость грунта: W p l i z » ) t ( 1 3 4 ) где р - плотность грунта, г/см3; п - пористость грунта, доли ед. Согласно СТБ 943-93, крупнообломочные и песчаные грунты по степени влажности подразделяются на виды: 1) маловлажные (0 < Sr < 0,5): 2) влажные (0,5 < Sr < 0,8); 3) водонасыщенные (0,8 < Sr < 1). Задание 1. Определить естественную влажность грунта. 2. Определить гигроскопическую влажность грунта, 3. Определить полную влагоемкость грунта. 4. Определить степень влажности грунта в соответствии с СТБ 943-93. Вопросы для самопроверки 3. В чем разница определения естественной и гигроскопической влажности? 2. Перечислить виды связи между поверхностью грунтовых час- тиц и молекулами воды. 109 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ДИСПЕРСНОГО И СУХОГО ГРУНТА Цель работы: 1. Изучение физических показателей плотности связных и пес- чаных грунтов. 2. Определение плотности дисперсного грунта. 3. Определение плотности песчаного грунта различного сложения. 4. Расчет плотности сухого грунта. Аппаратура: Режущее кольцо, нож, технические весы с разновесами, две стек- лянные пластинки, сито с отверстиями диаметром 5 мм, воронка. 14.1. Характеристика плотности грунта В соответствии с ГОСТ 5180-84 различают плотность грунта, плотность сухого грунта и плотность частиц грунта. Плотность грунта является важным показателем физических свойств грунта и характеризует его устойчивость в основаниях ин- женерных сооружений, в теле земляного полотна или в откосах вы- емок автомобильных дорог. Плотность грунта - это отношение массы грунта к его объему, включая поры, заполненные водой или воздухом. Она зависит от минералогического состава, пористости и влажности грунта. Плотность глин, суглинков, супесей, песков и крупнообломоч- ных грунтов колеблется обычно от 1,2 до 2,4 г/см3. Плотность связных грунтов определяют методом режущего кольца. Плотность песчаного грунта (нарушенного сложения) опре- деляют при рыхлом и плотном сложении. Для определения плотности, пористости, коэффициента порис- тости необходимо знать плотность сухого грунта. Под плотностью сухого (скелета) грунта понимают отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому им объему 110 (включая имеющиеся в нем поры). Чем больше плотность сухого грунта, тем более плотно сложен грунт. Непосредственно определить плотность сухого грунта невоз- можно, так как при удалении воды из пор путем высушивания объ- ем образца уменьшается, и естественная пористость грунта при этом изменяется, поэтому плотность сухого грунта определяется расчетным путем. Плотность сухого грунта колеблется от 1,1 г/см3 и более. 14.2. Определение плотности грунта 1. Определение плотности связных грунтов методом режущего кольца. Для проведения лабораторных исследований выбирают режущее кольцо-пробоотборник в соответствии с данными табл. 14.1. Т а б л и ц а 14.1 Параметры режущего кольца-пробоотборника Наименование 1 грунта Размеры кольца-пробоотборника толщина стенки, мм внутренний диаметр d, мм высота h угол заточки наружного края |Пылевато- глинистый 1,5,..2,0 >50 0,8d > h > 0,3d не более 30° i Песчаный 2,0... 4,0 >70 d > h > 0,3d не более 30° Измеряют внутренний диаметр и высоту режущего кольца с по- грешностью не более 0,1 мм и взвешивают его. По результатам из- мерений вычисляют объем кольца с точностью до 0,1 см3. Затем его смазывают с внутренней стороны тонким слоем вазелина. В лабораторных условиях из грунта формируют лепешку высо- той, большей, чем высота кольца, ставят кольцо на лепешку и лег- ким усилием вдавливают в грунт. Ножом зачищают нижнюю и верхнюю поверхность образца. В естественных условиях предварительно очищают плоскость грунта от органической части и крупных включений. Кольцо через 111 насадку вдавливают в грунт, который обрезают на глубину 5... 10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик диаметром на 1.. .2 мм больше наружного диаметра кольца. Затем на 8... 10 мм ниже режуще- го края грунт подрезают ножом и извлекают образец из массива. Грунт, выступающий за края кольца, срезают ножом. При необходи- мости кольцо закрывают пластинками, массу которых определяют предварительно. Результаты заносят в табл. 14.2. Т а б л и ц а 14.2 № пп Параметры кольца, см Результаты взвешивания, г Плот- ность грун- та а г/см3 j высота h, см диаметр d, см объем V, см3 масса кольца Шо масса пла- стин- ки т 2 масса грунта с кольцом и пластинками mi 1 2 3 4 5 6 7 8 Плотность грунта вычисляют из выражения где Ш] — масса грунта с кольцом и пластинками, г; Шо - масса кольца, г; ш2 - масса пластинок, г, 2. Определение плотности песка при рыхлом сложении. Среднюю пробу грунта высушивают до воздушно-сухого со- стояния. Высушенный грунт просеивают через сито с отверстиями 5 мм. Стеклянный стакан емкостью 50 см3 взвешивают на техниче- ских весах и устанавливают на горизонтальную плоскость. В данном опыте может применяться прибор для определения плотности рыхлых грунтов либо воронка, расположенная на высоте 40 см от плоскости установки стеклянного стакана. Кроме того, нужна линейка с отмеренной меткой, находящейся на удалении 40 см от начала линейки. 112 Исследуемый грунт понемногу непрерывно высыпают в ворон- ку, через которую он попадает в стеклянный стакан, постепенно заполняя его. Излишек грунта удаляется линейкой. Стеклянный стакан с грунтом, заполнившим его до самых краев, взвешивают на весах. Результаты измерений заносят в табл. 14.3. Т а б л и ц а 14.3 Результаты определения плотности песка с различным сложением Состояние сложения грунта Результаты измерений Плотность песка при рых- лом сложении, г/смл масса стакана С ГруНТОМ !Th, Г масса стакана пи, г объем стакана V, см^ Рыхлое Pmm ~ 1 Плотное рт ах — I {лотность песка при рыхлом сложении определяется из выраже- ния A n t o - ^ - . r f ( И . 2 ) у где шз - масса стеклянного стакана с грунтом, г; пи - масса пустого стеклянного стакана, г. Опыт проводят не менее трех раз, после чего вычисляют средне- арифметическое значение. 3, Определение плотности песка при плотном сложении. Оборудование и процесс определении при этом методе - те же, что и для грунта рыхлого сложения, но процесс заполнения отличается. Рыхлый песчаный грунт высыпают в воронку, находящуюся на высоте 40 см от плоскости установки стеклянного стакана, неболь- шими порциями (примерно 1/5 стеклянного стакана), после чего грунт легкими постукиваниями о боковые стенки стакана и воздей- ствием деревянной трамбовки уплотняют. Засыпают следующую порцию, и уплотнение повторяют до тех пор, пока стакан не запол- 113 нится доверху, после чего излишек грунта удаляют линейкой. Ста- кан с грунтом взвешивают, и результаты заносят в табл. 14.3. Плотность песчаного грунта плотного сложения определяют по формуле т ъ - т 4 з = —? , г/см , (14.3) где т 3 , Ш4, V - значения параметров, аналогичные значениям в формуле для рыхлого песка, но их значения соответствуют плотно- сти при плотной упаковке зерен. Опыт проводят не менее трех раз. Для расчетов берут среднее значение. 14.3. Определение плотности сухого грунта расчетным методом Для определения плотности сухого грунта предварительно опреде- ляют влажность грунта по методике, изложенной в лаб. раб. № 13. Результаты измерений параметров, необходимых для определе- ния плотности сухого грунта, заносят в табл. 14.4. Т а б л и ц а 14.4 Результаты определения плотности сухого грунта Результаты взвешивания Естест- венная влажность грунта W, % Плот- ность грун- та а г/см3 Плот- ность сухого грунта, г/см3 № пп масса пустой бюкеы с крышкой Шб масса бюк- еы с влаж- ным грун- том Шал масса бюксы с сухим грунтом т с 1 2 3 4 5 6 7 Плотность сухого грунта вычисляют по формуле 114 р = Р ,г/см3, (14.4) (1 + 0,01 W) где р - плотность грунта, г/см3; W - влажность грунта, %. Задание 1. Определить плотность грунта методом режущего кольца. 2. Определить плотность грунта при рыхлом сложении. 3. Определить плотность грунта при плотном сложении. 4. Рассчитать плотность сухого грунта. Вопросы для самопроверки 1. Можно ли экспериментально определить плотность с у х о г о грунта? 2. ts чем разница между плотностью песчаного грунта различно- го сложения? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 15 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЧАСТИЦ ГРУНТА И ВЫЧИСЛЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ ПЛОТНОСТЕЙ Цель работы: 1. Определение плотности частиц грунта пикнометрическим ме- тодом. 2. Расчет производных характеристик плотности грунта. Аппаратура: Пикнометр, технические весы с разновесами, фарфоровая ступ- ка, пестик с резиновым наконечником, сито с отверстиями диамет- ром 2 мм, песчаная баня, дистиллированная вода. 115 15.1. Характеристика плотности частиц грунта Для общей характеристики состава и состояния грунта опреде- ляют плотность частиц грунта - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта. Этот показатель характеризует минералогический состав грунта и увеличивается с возрастанием содержания тяжелых мине- ралов. Средние значения плотности частиц отдельных видов грун- тов приведены в табл. 15.1. Плотность частиц грунта определяется по ГОСТ 5180-84 с помощью пикнометра. Т а б л и ц а 15.1 Значения плотности частиц грунта Грунты Средние значения Ps, г/см3 Наиболее часто встре- чающиеся Ps, г/см3 Грунты Средние значения Ps, г/см3 Наиболее часто встре- чающиеся Ps, г/см3 пески 1,66 2,65... 2,67 глины 2,74 2,71... 2,76 супеси 2,70 2,68... 2,72 гумусовые горизонты черноземов 2,50 2,40... 2,60 суглинки 2,71 2,69... 2,73 торфы 1,60 1,50... 1,80 15.2. Определение плотности частиц грунта пикнометрическим методом Образец грунта в воздушно-сухом состоянии размельчают в фарфоровой ступке, отбирают методом квартования среднюю пробу массой 100...200 г и просеивают сквозь сито с сеткой, имеющей отверстия 2 мм. Из просеянной массы берут навеску грунта из расчета 15 г на каждые 100 мл емкости пикнометра и пробу для определения гиг- роскопической влажности (см. лаб. раб. № 13). Пикнометр, наполненный на 1/3 дистиллированной водой, взве- шивают, через воронку всыпают в него пробу грунта и снова взве- 116 кивают. Затем его взбалтывают и ставят кипятить на песчаную баню. Продолжительность спокойного кипячения (с момента начала кипе- ния) для песков и супесей - 0,5 ч, для суглинков и глин - 1 ч . Затем пикнометр охлаждают и доливают дистиллированной водой до мерной риски на горлышке. После охлаждения пикнометра надо поправить положение мениска воды в нем, добавляя из пипетки дистиллирован- ную воду, причем низ мениска должен совпадать с риской на горлыш- ке. Лишние капли воды выше риски удаляют фильтровальной бума- гой. Пикнометр вытирают снаружи и взвешивают. Далее выливают содержимое пикнометра, ополаскивают его, на- ливают дистиллированную воду до риски на горлышке, поправляя мениск, и взвешивают пикнометр с водой. Результаты измерений заносят в табл. 15.2. Т а б л и ц а 15.2 Расчет гигроскопической влажности Wr, % Масса пикнометра, заполненно- го на 1/3 объема Масса пикномет- ра, запол- ненного до рКСКй Мас- са пус- того пик- но- метра т п , г Объ- ем гшк- но- мег- ра Vn, см3 Рас- четная масса ПИл- номет- рас водой при задан- ной темпе- ратуре ш5,г Плот- ность час- тиц грун- та ps г/см мас- са пус- той бюк- сы nifi масса бюк- сы с воз- душ- но- сухим грун- том масса бюк- сы с абсо- лют- но сухим грун- том nV> Wr, % без грун- та ш'пв. г с грун- том т'пг. г без грун- та Шпв, г с грун- том Шпг, г 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 П 12 Гигроскопическая влажность определяется из выражения Wr = n h c ~ m c - \00 ,% , (15.1) тс - тб где тВс ~ масса бюксы с воздушно-сухим грунтом, г; 117 т с - масса бюксы с абсолютно сухим грунтом, г; т6 - масса пустой бюксы. Объем пикнометра определяют из выражения Vn =тпв т" , (15.2) Pw где тт - масса пикнометра с водой, заполненного до риски, г; тп - масса пустого пикнометра, г; pw - плотность воды при температуре проведения опыта, г/см3. При правильно выполненных измерениях и расчетах масса пик- нометра, заполненного до риски дистиллированной водой, и масса пикнометра с водой при температуре проведения опыта, опреде- ляемая расчетным путем, должны быть равны т т = w 5 , где т} - масса пикнометра с дистиллированной водой при темпера- туре испытаний, определяемая из выражения m5=mn+pwVn . (15.3) Массу сухого грунта, применяемую для определения плотности частиц грунта, находят расчетным путем: где тгр - масса пробы воздушно-сухого грунта, определяемая из выражения тГР =т'пг-т'пв, г, где т пг - масса пикнометра, заполненного дистиллированной во- дой на 1/3 объема, с навеской грунта, г; 118 т 'пв - масса пикнометра, заполненного дистиллированной водой на 1/3 объема. Плотность частиц грунта вычисляют по формуле = ' p w ,г/см3. (15.5) т6+т5-тпг Все взвешивания производят с точностью до 0,01 г. 15.3. Вычисление производных характеристик плотности грунта Производными характеристиками трех видов плотности являют- ся пористость и коэффициент пористости грунтов. Под пористостью грунтов понимают суммарный объем всех пор и промежутков между частицами твердой фазы грунта. Числен- но пористость грунта представляет собой отношение объема пор к общему объему грунта: n = Zl!2L, юо ,%, (15,6) где Упор - суммарный объем всех пор; V - обший объем грунта. Кроме того, пористость грунта характеризуется отношением объема пор к объему твердой фазы, т.е. коэффициентом пористо- сти, и выражается в долях единицы: е = 05.7) уг где VT - объем твердой фазы грунта. Пористость дает представление о суммарной пористости грунта (открытых и закрытых пор), зависит от степени дисперсности (чем мельче частицы грунта, тем больше пористость) и не характеризует расположение и диаметр пор. Пористость песчаных грунтов может 119 составлять 28...35%, пылевато-глинисшх - 60...75%. Для одного и того же грунта она не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от давления на грунт и взаимного расположения в нем частиц. " Пористость и коэффициент пористости характеризуют структуру грунта, по ним судят о степени уплотнения грунта и его сжимаемо- сти в различных условиях. Задание 1. По результатам лабораторных исследований плотности грун- та, плотности сухого грунта (см. лаб. раб. № 14) и плотности частиц грунта определить пористость и коэффициент пористости, исполь- зуя следующие выражения. Пористость грунта, выраженная через плотность частиц грунта и плотность сухого грунта, n = £ s z £ L . m Ps (15.8) Тот же показатель, выраженный через плотность грунта, плот- ность частиц грунта и естественную влажность, п = P s a + m w ) •юо ,%. (15.9) Коэффициент пористости, выраженный через плотность частиц грунта и плотность сухого грунта, e = P s Pd . (15.10) Pd Результаты вычислений свести в табл. 15.3. 120 Т а б л и ц а 10.1 Вычисление производных пористости грунта Плот- ность частиц грунта ps, г/см3 Плот- ность сухого грунта Pd, г/см3 По- рис- тость п,% Коэф- фици- ент порис- тости е Плот- ность грунта ps, г/см3 Естествен- ная влаж- ность грун- та W,% Порис- тость грунта п,% 1 2 3 4 5 6 7 2. Определить влажность грунта и оценить степень его влажно- сти, если известны результаты лабораторных исследований: пористость грунта; плотность частиц грунта; плотность грунта, Численные данные принимаются согласно варианту табл. 15.4. Решение осуществляется в следующей последовательности: 1).Из выражения (15.9) определить влажность грунта в долях единицы. 2).Из выражения (14.4) определить плотность сухого грунта. 3),Из выражения (15.10) определить коэффициент пористости. 4). Степень влажности грунта определить из выражения (15.11) г pw-е где ps - плотность частиц грунта, г/см3; pw - плотность воды, г/см3; W - влажность грунта, определенная по выражению (15.9) в до- лях единицы; е - коэффициент пористости в долях единицы. 3. Определить плотность грунта, плотность сухого грунта, есте- ственную и гигроскопическую влажность, если известны результа- ты лабораторных исследований (табл. 15.4): масса грунта естественной влажности; масса грунта в воздушно-сухом состоянии; 121 масса грунта в абсолютно сухом состоянии; объем образца ненарушенной структуры. Решение осуществляется в следующей последовательности. 1). По формуле (13.1) определить естественную влажность грун- та и его гигроскопическую влажность. 2). Из выражения (14.1) определить плотность грунта. 3). С учетом полученных значений влажности и плотности грун- та по формуле (14.4) определить плотность сухого грунта. Т а б л и ц а 15.4 Исходные данные Показатели лаборатор- ного анализа Еди- ницы изме- рения Варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Пористость грунта п,% 35 36 37 38 39 40 Л 1 42 43 44 Плотность грунта Г/см' 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 1,5 Плотность частиц грунта г/см 3 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 1,9 Масса грун- та естест- венной влажности г 82,27 83,39 84,24 85,31 86,48 87,52 88,12 89,36 90,04 91,14 Масса грун- та в воздуш- но-сухом состоянии г 73,27 74,15 76,12 78,16 80,35 81,58 82,18 82,97 83,15 83,85 Масса грунта в абсолютно сухом состоянии г 72,81 73,73 75,64 77,52 79,85 81,09 81,70 82,23 82,71 83,05 Объем образца ненарушен- ной струк- туры см3 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 122 Вопросы для самопроверки 1. Какой показатель плотности из всех рассмотренных имеет наибольшие абсолютные значения? 2. Какие показатели являются производными плотности грунта? 3. На основании каких показателей можно определить степень влажности грунта? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ И ОПТИМАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА Цель работы: 1. Изучение характеристик максимальной плотности и опти- мальной влажности грунта. 2. Определение максимальной плотности и оптимальной влаж- ности грунта. Аппаратура: Прибор Союздорнии для стандартного уплотнения грунтов, весы настольные циферблатные, весы лабораторные, шкаф сушильный, сито с отверстиями 5 мм, бюксы металлические, лопаточка- мастерок, кож лабораторный. 16.1. Характеристика максимальной плотности и оптимальной влажности грунта При проектировании и строительстве земляных сооружений из песчаных и глинистых пород необходимо обеспечить наибольшую их устойчивость и прочность, что достигается уплотнением пород (укаткой, трамбованием, виброуплотнением) до максимально воз- можной при определенном содержании в грунте воды плотности. Максимальная плотность определяется путем установления за- висимости плотности сухого грунта от влажности при трамбовании образцов с постоянной затратой работы на их уплотнение и расчета 123 по этой зависимости ее максимальной величины. Влажность, при которой достигнута максимальная плотность сухого грунта, являет- ся оптимальной (ГОСТ 22733-77). Ее ориентировочные значения для грунтов принимаются по табл. 16.1. Т а б л и ц а 16.1 Ориентировочные значения оптимальной влажности грунтов Грунты Значения оптимальной влажности грунта, % массы грунта Пески: гравелистые 4...6 крупные 6... 8 средней крупности 7...9 Пески мелкие и пылеватые 8...10 Супеси 8...14 Суглинки легкие 12...16 Суглинки тяжелые 16..22 Глины 18...26 Испытания грунтов осуществляются в приборе Союздорнии для стандартного уплотнения грунтов путем послойного трамбования ударами груза массой 2,5 кг, падающего с высоты 300 мм. При содержании частиц размером крупнее 5 мм в количестве более 10% работы проводят на большом приборе стандартного уплотнения, имеющем внутренний объем 1000 см3; при содержании частиц разме- ром крупнее 5 мм в количестве менее 10% - в малом приборе стан- дартного уплотнения, имеющем внутренний объем 100 см\ Малый прибор стандартного уплотнения (рис. 16.1) состоит из подставки 1 с двумя закрепляющими винтами, разъемного цилинд- ра 2 объемом 100 см3, направляющей цилиндрической насадки 3, плунжера 4, гири 5, направляющего стержня 6, рукоятки 7 и вкладыша 8. 124 Рис. 16.1. Малый прибор стандартного уплотнения 16.2. Определение максимальной плотности и оптимальной влажности Методом квартования отбирают среднюю пробу массой 1000 г и просеивают через сито с отверстиями 5 мм. Если масса грунта, ос- тавшегося на сите, больше 10%, работы проводятся на большом приборе стандартного уплотнения, если меньше, - на малом. Из просеянного грунта отбирают навеску массой 500 г, которая является исходной для дальнейших испытаний, а из нее - навеску массой 15...20 г, высыпают в предварительно взвешенную бюксу, высушивают по методике, изложенной в лаб. раб. № 13. и по фор- муле (13.1) определяют естественную влажность грунта. Наименьшая влажность в начале первого опыта должна несколь- ко превышать влажность грунта в воздушно-сухом состоянии, по- этому грунт увлажняют до исходной влажности, принимаемой рав- ной 4% - для песчаных, гравийных грунтов и 8% - для глинистых. Необходимое для увлажнения грунта количество воды опреде- ляют по формуле 125 0 = —Ч!! о , 0 l ( W 2 - W ) , мл, (16.1) * 1 + 0,01^ 2 где ту - масса грунта, отобранная из поддона (равная 500 г); W- естественная влажность грунта, %; W2 - исходная влажность, равная 4%. Количество воды, рассчитанное по формуле (16,1), вводят в грунт и перемешивают до однородного состояния лопаточкой- мастерком. Подготовка прибора к испытанию включает сборку подставки, разъемного цилиндра и круглой пластины и взвешивание их с точ- ностью до 1 г. Перед началом заполнения прибора грунтом определяют влаж- ность грунта весовым методом по методике, изложенной в лаб* раб. № 13. Разъемный цилиндр фиксируют закрепляющими винтами, насы- пают в него исследуемый грунт примерно на 1/3, вставляют плун- жер, а в него - направляющий стержень с гирей. Гирю поднимают до верхнего упора и отпускают, она ударяется о плунжер и уплот- няет грунт внутри прибора. Число ударов гири для каждого слоя должно составлять: для песчаных грунтов - 12; для супесчаных - 15; для суглинков и глин - 25. После необходимого количества ударов плунжер вытаскивают, по- верхность предыдущего слоя взрыхляют ножом на глубину 1...2 мм, загружают второй слой (на 2/3 высоты цилиндра), вставляют плун- жер, и операция уплотнения повторяется. Далее поверхность уплотненного слоя опять разрыхляют, на разъемный цилиндр надевают направляющий насадочный цилиндр и засыпают третью порцию грунта, которая по объему должна быть на 10... 15 мм больше верхней части разъемного цилиндра После уплотнения третьего слоя насадку снимают и срсзают выступаю- щую из цилиндра часть образца. Прибор с уплотненным грунтом взвешивают на весах с точно- стью до 1 г и рассчитывают плотность влажного образца фунта с точностью до 0,01 г/см3 по формуле 126 Ша - Ото , р = — — , г/см , (16.2) где nis - масса прибора, г; ir,д - масса прибора с уплотненным грунтом, г; V- емкость разъемного цилиндра, равная 100 см3. Ослабляют закрепляющие винты, грунт из прибора высыпают в оставшуюся пробу и тщательно перемешивают. Затем повышают влажность на 2% для песчаных грунтов и на 3% - для глинистых. Количество воды для доувлажнения определяют по формуле (16. i). Опыт повторяют в последовательности, описанной выше. После определения плотности при влажности 6% вновь повы- шают влажность на 2%, и опыт повторяют. Испытания по определению максимальной плотности сухого грунта можно считать законченными тогда, когда с повышением влажности пробы происходит уменьшение плотности уплотненных O^ Dri il • OR уjj"rj3i Ps^ VТКТЯТЫ '{^ ПЬ'ТЗНИИ оо^ ллат1 п 16 2 Результаты определения максимальной плотности грунта Ориентиро- вочная влажность, % Влажность грунта, определенная весовым методом Результаты определения плотности грунта Плот- ность сухо- го грун- та Pd, г/см № пп исход- ная а;!аж- ность, % коли- чест- во до- бав- ляе- мой воды Q, мл масса бюк- сы с влаж- ным грун- том Ши, г масса бюк- сы с су- хим грун- том га., г мас- са пус- той бюк- сы влаж- ность грун- та W, % масса прибо- ра с уп- лотнен- ным грун- том 111с, г масса при- бора без грун- та nig, г объем разъ- емного ци- линдра У.см3 плот- ность грун- та р, г/см3 1 2 3 4 5 6 7 I и 8 9 10 11 12 По полученным в результате испытаний значениям плотности и влажности уплотненных образцов определяют плотность сухого грунта с точностью до 0,01 г/см3 по формуле (14.4). Строят график зависимости плотности сухого грунта (ось орди- нат) от его влажности (ось абсцисс). Линейные масштабы графика: 127 ось ординат: в 1 см - 2%; ось абсцисс: в 1 см - 0,05 г/см3. Находят максимум полученной зависимости и соответствующие ему величины максимальной плотности сухого грунта (ра тах) и оп- тимальной влажности (Wonm). Точность считывания значений долж- на быть: для Pdmax - 0,01 г/см3, для Wonm - 0,1%. Степень уплотнения грунтов в дорожном строительстве оцени- вают отношением плотности сухого грунта в его естественном зале- гании или в насыпи ра к плотности сухого грунта, полученного ме- тодом стандартного уплотнения, pjmax: (16.3) Pdmax где Ку - коэффициент стандартного уплотнения, Задание 1. Определить максимальную плотность и оптимальную влаж- ность грунта. 2. Оценить качество уплотнения грунта, уложенного в насыпь автомобильной дороги, если известны результаты лабораторных исследований (табл. 16.3): плотность грунта; естественная влажность грунта; оптимальная влажность грунта; плотность грунта, полученная методом стандартного уплотнения. Решение осуществляется в следующей последовательности: 1). Из выражения (14,4) определить плотность сухого грунта, на- ходящегося в насыпи автомобильной дороги. 2). По той же формуле (14.4) определить плотность сухого грун- та, уплотненного на приборе стандартного уплотнения. 3). Из выражения (16 3) определить коэффициент стандартного уплотнения. 3. Определить плотность грунта, укладываемого в насыпь авто- мобильной дороги, которая должна быть получена в результате укатки до требуемого коэффициента уплотнения, если известны результаты лабораторных исследований (табл. 16.3): 128 влажность грунта, укладываемого в насыпь; максимальная плотность сухого грунта, определенная методом стандартного уплотнения. Решение осуществляется в следующей последовательности: 1). По формуле (14.4) определить плотность сухого грунта, укла- дываемого в насыпь дороги. 2). Из выражения (16.3) найти плотность грунта насыпи, которая должна быть достигнута в результате укатки. Исходные данные для решения проблемных ситуаций см. в табл. 16.3. Т а б л и ц а 16.3 Исходные данные П ун кт за да ш я Показатели лабораторного анализа Еди- ницы изме- рения Варианты П ун кт за да ш я О 1. 3 4 е J С KJ п i С, о 9 1 /> 1U П ун кт за да ш я и 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2 Плотность грунта, уплот- ненного Б НАСЫ- пи автомобиль- ной дорога р. ^ г/см3 1,67 1,76 i 81 1,85 1,90 1,94 j ,98 2,02 2,10 Влажность того же грунта W,% 20 14 15 16 17 18 19 20 16 17 Оптимальная влажность RDVHTA WonT, % 14 8 9 10 8 9 10 11 12 13 Плотность грунта, полу- ченная на при- боре стандарт- ного уплотнения р, 5 г/см3 1,50 1,65 1,78 1,80 1,86 1,92 1,94 1,98 2,02- 2,08 3 Влажность грун- та, укладывае- мого в насыпи О' W , УО 10 11 12 I j 14 15 16 17 18 19 Максимальная плотность сухого грунта Pdmax, г/см3 и 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Требуемый коэффициент уплотнения к у 0,95 0,95 0,95 0,98 1,00 1,00 1,00 0,98 0,95 1,00 129 Вопросы для самопроверки 1. Как определить оптимальную влажность грунта? 2. Сколько опытов необходимо сделать, чтобы определить мак- симальную плотность грунта? 3. Каким образом можно оценить степень уплотнения грунта? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 17 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГРУ НТА ПЛОТНОМЕРОМ-ВЛАГОМЕРОМ СИСТЕМЫ Н.П.КОВАЛЕВА Цель работы: 1. Изучение конструкции прибора и методики работы на плот- номере-влагомере. 2. Определение плотности грунта и плотности сухого грунта на приборе Н.П.Ковалева. 3. Расчет естественной влажности. 4. Определение на плотномере-влагомере максимальной плотно- сти и оптимальной влажности. Аппаратура: Плотномер-влагомер системы инженера Н.П.Ковалева, лабора- торный нож, пята, стержень, гиря, совок с делениями, сетчатый диск, режущий цилиндр. 17.1. Оборудование для полевого обследования грунтов Полевые обследования грунтов и учет природных условий их за- легания являются обязательным элементом проектно-изыскатель- ских работ, связанных со строительством любых инженерных со- оружений. При полевом обследовании грунтов возникает необходимость в определении основных физических свойств горных пород на месте их естественного залегания. Для этого применяется такое оборудо- 130 вание, как полевая грунтовая лаборатория системы Литвинова и плотномер-влагомер системы инженера Н.П.Ковалева. С помощью приборов полевой грунтовой лаборатории осущест- вляются следующие операции: 1) отбор монолитов грунта ненарушенной структуры и природ- ной влажности и определение их основных физических показате- лей; 2) высушивание образцов в полевом сушильном шкафу; 3) определение плотности, влажности, пластичности; 4) определение коэффициентов фильтрации, набухания, угла внутреннего трения, сдвиговых параметров грунта. Прибор Н.П.Ковалева предназначен для ускоренного измерения показателей плотности грунтов в полевых условиях. Плотномер-влагомер состоит из следующих основных частей (рис. 17.1): корпуса 1, трубки 2, крышки-подставки 3, тарировочно- го груза 4, стойки 5, поддона 6, сосуда 7, режущего цилиндра 8, футляра-ведра 9. 9 Рис. 17.1. Плотномер-влагомер системы Н.П.Ковалева 131 На трубке 2 нанесены четыре шкалы, имеющие условные обо- значения: А - для определения плотности влажного грунта; Ч - для определения плотности сухого чернозема (гумусовых грунтов); П - для определения плотности сухого песчаного грунта; Г - для определения плотности сухого глинистого грунта. Трубка прибора сверху имеет подставку, на которой помещается проба грунта с режущим кольцом. В отверстие внутри трубки по- мещают тарировочный груз (мелкий гравий, воду и т.п.). К низу по- плавка с помощью стоек 5 прикреплен поддон 6 в форме диска, обеспечивающий устойчивость поплавка в вертикальном положе- нии и служащий для установки сосуда 7 при определении плотно- сти сухих грунтов. В комплект входят ударник для отбора проб и прибор для определения предела текучести грунта. Подготовка плотномера-влагомера к работе заключается в сле- дующем. В футляр-ведро 9 наливают воду до верхней кольцевой отметки и опускают в него прибор в собранном виде вместе с ре- жущим кольцом 8 и сосудом 7 на поддоне. Прибором можно поль- зоваться, когда поплавок погрузится в воду до нижней кольцевой отметки начала шкалы А на трубке, в противном случае необходимо уравновешивать поплавок водой, заливаемой в отверстие трубки. 17.2. Определение плотностей грунта плотномером-влагомером 1. Определение плотности грунта. На испытываемом участке выравнивают небольшую площадку, на которой устанавливают режущий цилиндр прибора острой кром- кой вниз. Режущее кольцо пятой, ударником или рукой (в зависи- мости от твердости грунта) заглубляют в грунт. После заполнения кольца грунт подрезают на 8... 10 мм ниже края цилиндра и выка- I (Е-Т UQ £* Х> X 4 Г- TTT\/-»Ar\TT П»Л\ ПТ.Ж/>ТЧ7ТТОТГ«ТТ1*|* VI irt^ OCT ПП^О о IfVT1 Л V/ U . T 1 V V . W V l l l / v w f l . 1 1.. . t i l w v U ^ i m Jl. L ножом вровень с краями цилиндра. Ветошью удаляют частицы грунта, прилипшие к поверхности режущего кольца. В футляр- ведро наливают воду и опускают плотномер-влагомер без сосуда 7. Цилиндр с грунтом ставят на подставку поплавка, который при этом погружается в воду, и против уровня воды по шкале А делают 132 отсчет плотности грунта в г/см3. При всех определениях плотности поплавок необходимо покачивать для выхода пузырьков воздуха. 2. Определение плотности сухого грунта. Режущее кольцо с пробой снимают с подставки поплавка прибо- ра, грунт с помощью ножа переносят из режущего цилиндра в со- суд, поплавок достают из футляра-ведра. В сосуд наливают воду на Ул объема, грунт ножом перемешивают с водой до ликвидации ком- ков. Вышедшие из пор пузырьки воздуха (в виде пенки) удаляют сетчатым диском. Сосуд с размешанной пробой устанавливают на поддон и погружают поплавок в воду, налитую в футляр-ведро. Против уровня воды пс шкале, соответствующей грушу Ч, П или Г, берут отсчет в г/см3. К абсолютному значению отсчета плот- ности сухого грунта, взятому по шкале, прибавляют поправки: для песков (шкала П) - 0,02 г/см3; для чернозема (шкала Ч) - 0,08 г/см3; для глин, суглинков, супесей легких пылеватых (шкала Г) - 0,05 г/см3; для супесей тяжелых пылеватых (шкала Г) - 0,10 г/см3. 3. Расчет естественной влажности грунта. Расчет производят исходя из плотности влажного и плотности сухого грунта по формуле w = Rz£±. юо.,%, Pd где р - плотность грунта, определяемая по шкале Д. г/см3; pd - плотность сухого грунта, определяемая по одной из шкал П, Ч, Г, г/см3. 4. Методика измерений и расчета максимальной плотности и оп- тимальной влажности. 1). Определение максимальной плотности и оптимальной влаж- ности на месте залегания грунта. Разравнивают площадку размером 0,3x0,3 м, ставят на нее ре- жущий цилиндр с пятой, с помощью ударника погружают в грунт (рис. 17.2). 133 Рис, 17.2, Отбор грунта на месте залегания для стандартного уплотнения: 1 - режущий цилиндр; 2 - пята; 3 - гиря; 4 - стержень Режущий цилиндр с неуплотненным грунтом откапывают ножом и снова ставят на ту же площадку рядом с образовавшейся лункой (чтобы режущий цилиндр не погружался в грунт при стандартном уплотнении). В пяту вставляют стержень с гирей, гирю поднимают вверх до упора и отпускают с высоты 300 мм. Количество ударов, необходимых для стандартного уплотнения, назначают в зависимости от вида грунта: для песков и супесей - 38; для суглинков - 60; для глин — 75. После стандартного уплотнения режущий цилиндр вместе с грун- том откапывают ножом, переносят на крышку - подставку и выше- описанным путем измеряют плотность грунта, плотность сухого грунта и рассчитывают влажность. 134 Затем на той же площадке выбирают зону размером (80x80) мм и ножом разлыхляют на ней грунт на глубину 80 мм. В разрыхленный грунт добавляют порцию воды из расчета увеличения влажности на 2%. При плотности грунта, определенной в первом случае и равной 1,6 г/см3, и размере разрыхленного грунта 80x80x80 мм объем пор- ции воды составит V w = 8 • 8 • 8 • 1,6 • 0,02 = 16 см3. Порцию воды отмеряют с помощью совка (вода набирается до риски). Грунт с водой тщательно перемешивают, поверхность его уплотняют и выравнивают. Затем вышеописанным способом грунту придают стандартное уплотнение, измеряют плотность, плотность сухого грунта, рассчи- тывают влажность. На площадке выбирают новую зону, разрыхля- ют ножом грунт и добавляют вторую, третью, четвертую и т.д. пор- ции воды по 16 см3. Цикл измерений и вычислений повторяют до тех пор, пока плотность сухого грунта, достигнув своего макси- мального значения, не начнет уменьшаться. По результатам испытаний строят график, аналогичный графику в лаб. раб. № 16, по которому определяют максимальную плотность грунта и оптимальную влажность. 2). Определение максимальной плотности и оптимальной влаж- ности грунта в лабораторных условиях. Отбирают пробу грунта массой 3 кг, наполняют сосуд с послойным уплотнением, режущий цилиндр устанавливают на грунт в сосуде. На режущий цилиндр сверху устанавливают ударник и производят стан- дартное уплотнение по технологии, указанной выше. Для уплотненно- го грунта измеряют плотность, плотность сухого грунта и рассчиты- вают влажность. После этого грунт из сосуда и из режущего цилиндра переносят в крышку футляра и перемешивают. Туда же добавляют 16 см3 воды для увеличения влажности грунта на 2%, перемешивают ножом и повторно наполняют сосуд и режущий цилиндр. Далее испытания проводят аналогично испытаниям грунтов на месте их залегания. Результаты измерений заносят в табл. 17.1. Т а б л и ц а 30.1 Результаты измерений • Плотность сухого Максимальная плотность и опта- ] Плот- ность грун- та р, г/см3 грунта р<( Влаж- ность фун- та W, % малыш влажность № пп пред- вари- тель- ная, г/см3 вели- чина по- прав- ки, г/с ы3 окон- ча- тель- ная, г/см3 плот- ность фун- та р, г/см3 пред- вари- тель- ная, г/см3 вели- чина по- прав- ки, г/см3 окон- ча- тель- ная, г/см3 влаж- ность фун- та W, % L l 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 Задание 1. Определить плотность грунта плотномером-влагомером. 2. Определить плотность сухого грунта плотномером-влагоме- ром. 3. Рассчитать естественную влажность грунта. 4. Определить максимальную плотность и оптимальную влаж- ность в полевых и лабораторных условиях. Вопросы для самопроверки 1. Какое оборудование предназначено для полевого обследова- ния грунтов? 2. В чем отличие определения максимальной плотности и опти- мальной влажности на малом приборе стандартного уплотнения и на приборе Н П.Ковалева? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРИСТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: 1. Изучение особенностей взвешивания горных пород в жидкости. 2. Определение открытой пористости скальных и полускальных горных пород. 3. Определение пористости песчаных грунтов. 136 Аппаратура: Технические весы, приспособленные для взвешивания в воде; разновесы; стеклянный стакан; бюретка, укрепленная на штативе. Отношение объема пор в грунте к общему объему, занимаемому грунтом, называется пористостью грунта. Поры в грунтах могут быть связаны между собой и атмосферой или изолированы друг от друга и от атмосферы, В первом случае они называются открытыми, во втором - закрытыми. По происхождению пор обычно выделяют первичную и вторич- ную пористость. Первичная пористость образовалась в процессе накопления осадка и изменялась в процессе диагенеза, вторичная возникла в результате выщелачивания, выветривания, тектонических процес- сов. жизнедеятельности п летите л ьных и животных организмов. Пористость горных пород вычисляется из выражений, приведен- ных в лаб. раб. № 15, или определяется лабораторным путем. Общая пористость скальных и полускальных горных пород опреде- ляется методом насыщения их какой-либо жидкостью. ВДЛомтадзе рекомендует использовать для этого чистый керосин, поскольку он не разрушает погруженных в него слабосцеменгированных образцов. Другие авторы допускают применение дистиллированной воды. Для определения пористости этим методом применяют технические весы, приспособленные для взвешивания образцов породы в воде (рис. 18.1), или специальные гидростатические весы. 18.1. Виды пористости I 'не. 18.!. Подсгавка к техническим весам для взвешивания в воде 137 Для определения пористости песков и песчаных пород нарушенно- го сложения применяют метод насыщения, заключающийся в посте- пенном заполнении пор грунта водой, вытекающей из бюретки. 18,2. Определение открытой пористости скальных и полускальных горных пород Образец горной породы объемом не менее 30 см3 высушивают в сушильном шкафу при температуре 105°С до постоянной массы и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01. Высушенный образец обвязывают ниткой и погружают в стакан с жидкостью. Для полного насыщения его выдерживают под вакуу- мом 30 мин. затем взвешивают на гидростатических весах Образец вынимают из жидкости, просушивают фильтровальной бумагой и взвешивают на воздухе. Результаты измерений заносят в табл. 18.1. Т а б л и ц а 18.1 Результаты определения пористости скальных и полускальных горных пород № пп Вес образца, г Пористость! п, % сухого на воздухе П1ю насыщенного в ЖИДКОСТИ Ш] 1 насыщенного на воздухе mi2 1 Л i 3 4 5 Величину открытой пористости вычисляют по формуле "о.шр = т12~Щ0 -100 ,%, (18.1) т\2~Щ\ где т п. - масса образца, насыщенного жидкостью и взвешенного на воздухе, г; /Иш - масса образца, взвешенного на воздухе, г; т\\ - масса образца, насыщенного жидкостью и взвешенного в жидкости, г. 138 Следовательно, открытая пористость равна объему жидкости, пошедшей на насыщение образца. Чтобы вычислить закрытую пористость горной породы, необходи- мо определить общую пористость, и из нее вычесть открытую. Общую пористость можно определить по номограмме ВАПриклонского, зная плотность сухого грунта и плотность частиц грунта, или по выра- жениям (15.8) и (15.9). 18.3. Определение пористости рыхлых несвязных пород Стеклянный стакан взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Он должен иметь метку, обозначающую объем 200 см3. Пе- сок в воздушно-сухом состоянии, т.е. высушенный на воздухе, на- сыпают в стакан до метки при той плотности, при которой необхо- димо определить пористость. Стакан с песком взвешивают, ставят на штатив под бюретку, нижний конец которой погружают в песок так, чтобы он находился на высоте 2...3 мм над дном стакана. Бю- ретку наполняют водой до отметки. Затем, периодически приоткры- вая зажим бюретки, медленно насыщают песок водой до появления пленки на поверхности песка. Засекают отметку и определяют объ- ем воды, пошедшей на насыщение песка. Результаты испытаний заносят в табл. 18.2. Т а б л и ц а 18.2 [№ inn Стеклянный стакан объем Vb см3 вес, "113, г Вес сгака- нас сухим грун- том Ш|4, г Отметки на бюретке нача- ло ис- пы- тания ко- нец испы- тания объ- ем воды V,, см? Вес стакана с на- сыщен- ным грун- том mi 5, г По- рис- тость п,% Плот- Плот- ность ность сухо- грун- m * V та А грун- г/см3 та рА{ г/см" Пористость песка определяют по формуле И = ^ - 1 0 0 , % , (18.2) 139 где V\ - объем стеклянного стакана до метки, см3; V2 - объем воды, пошедшей на насыщение грунта, см3. Одновременно вычисляют показатели плотности песка, соответ- ствующие этой пористости, Плотность песка Р = г/см3, (18.3) h где m\s- вес стеклянного стакана с грунтом, насыщенным водой, г; Ш\з - вес стеклянного стакана, г. Плотность сухого песка «14 — , з м о i\ Pd = ~ ул ->г/см3, 08.4) где Ш\л - вес стеклянного стакана с сухим грунтом, г. Задание 1. Определить пористость скальных и рыхлых несвязных пород. 2. На месте выторфованного болота производится отсыпка зем- ляного полотна автомобильной дороги. Объем насыпи земляного полотна - V, м3. Влажность отсыпаемого грунта - W, %. Плотность частиц обсыпанного грунта - р&, т/м3. Масса грунта, уложенного в насыпь, - ш,т. Через некоторое время под действием подземных вод и капил- лярных сил песок полностью насытился водой. Рассчитать пористость грунта, уложенного в основание земляно- го полотна автомобильной дороги. Решение осуществляется в следующей последовательности: 1). Определить плотность дисперсного грунта, имеющего влаж- ность W, из выражения 140 т , ч Р~ 77- т/м"' где т - масса грунта, уложенного в насыпь, т; V - объем насыпи земляного полотна, м3. 2). Определить плотность сухого грунта из выражения (14.4), подставляя в формулу значение влажности в долях единицы. 3). Определить значение влажности песка при полном водона- сыщении из выражения (19.4), приведенного в лаб. раб. № 19. 4). Пористость песка рассчитать по формуле n = pd-wnom-m,%, (18.5) где pd- плотность сухого грунта; (Гполи - полная влагоемкость песка, доли единицы. Численные данные для решения задачи принимаются согласно варианту по табл. 18.3. Т а б л и ц а 18.3 Исходные данные 1 Показа- тели Еди- ницы изме- рения Варианты 1 1 л L Л J 4 5 о П / 8 Л У 1 А 1U И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Объем насыпи земляного полотна V, мэ 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Влаж- ность от- сыпаемо- шгрунта !0 11 i JL п 14 15 16 1 п i ? 18 1 о J У Плот- ность | частиц грунта PS, т/'м3 2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 Масса грунта, уложен- ного в насыпь m, т 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 141 Вопросы для самопроверки 1. Какую пористость можно определить методом насыщения у скальных и полускальных горных пород? 2, В чем заключается отличие при определении пористости у скальных и у песчаных грунтов? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 19 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ПО УГЛУ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТКОСА Цель работы: 1. Изучение показателей, характеризующих силы внутреннего трения песчаного грунта. 2. Определение угла естественного откоса песчаного грунта, на- ходящегося в воздушно-сухом состоянии и под водой. Аппаратура: Сито с отверстиями 2 мм, весы технические, прибор УВТ-3, стеклянный стакан, резиновая трубка. 19.1. Характеристика угла естественного откоса Угол, который образует свободно насыпанный песок с горизон- том, называется углом естественного откоса. Он зависит от струк- туры и состава песка и является постоянной величиной для данного типа песка. Для рыхлого песка угол естественного откоса близок к углу внутреннего трения, но с возрастанием плотности его величи- на уменьшается, Для однородного песка превышение угла внутрен- него трения над углом естественного откоса невелико, а для плот- ных и неоднородных по структуре песков составляет значительную величину. Сопротивление, возникающее при относительном движении со- прикасающихся друг с другом частиц в рыхлых песках, характери- зуется силами внутреннего трения. Рассматривая зависимость со- 142 противления грунтов сдвигу от нормального давления, которая для практических расчетов аппроксимируется в виде прямой линии, направленной под углом к оси абсцисс, можно выразить этот угол наклона через угол внутреннего трения. Тангенс этого угла называ- ется коэффициентом внутреннего трения. Средние значения углов внутреннего трения в зависимости от зернового состава песка при- ведены в табл. 19.1. Т а б л и ц а 19.1 Средние значения углов внутреннего трения Наименование j грунта Влажность грунтов на границе раскатывания, % Угол внутреннего трения, град ! Супесчаный 9... 14 25...24 [Суглинистый 15...21 22... 18 1Глинистый 22...30 18...16 Значения углов внутреннего трения песчаных грунтов меняются в зависимости от степени уплотнения для мелкозернистых и пыле- ватых грунтов - от 26 до 30°, для крупнозернистых с включениями гравия - от 30 до 35°. Увлажнение песка и фильтрация воды через откос могут также увеличивать угол естественного откоса на 4...5°. Угол естественного откоса определяется экспериментально с помощью прибора УВТ-3 (рис. 19.1), который состоит из мерного столика 1, обоймы 2, стержня 3 со шкалой, пластмассового резер- вуара 4. 143 19.2. Определение угла естественного откоса в воздушно-сухом состоянии Исследуемый грунт высушивают до воздушно-сухого состояния, для чего распределяют его тонким слоем толщиной 1... 1,5 см на фанерном листе и оставляют на 1... 2 суг. Из высушенного грунта отбирают среднюю пробу массой 1... 1,5 кг, которую пропускают через сито с отверстиями 2 мм (для отброса гравелистых частиц). С прибора УВТ-3 снимают крышку, переворачивают ее и устанавливают на горизонтальную поверх- ность. Мерный столик помещают на крышку опорами в паз, сверху надевают обойму. Грунт, прошедший через сито, засыпают тонкой струйкой через горловину внутрь обоймы до самого верха. Излишек убирают с помощью линейки, выравнивая верх грунтовой призмы вровень с краями прибора. Во время засыпания грунта необходимо слегка постукивать по обойме, чтобы избежать образования пустот и крупных пор. Обойму осторожно поднимают, и грунт начинает осыпаться, формируя конус с вершиной у стержня со шкалой. По верхней границе конуса на шкате отсчитывают значение угла есте- ственного откоса а. Коэффициент внутреннего трения/определяют из выражения / = t g а . (19.1) Опыт проводят не менее трех раз. Расхождения между повтор- ными определениями не должны превышать 1 По результатам из- мерений вычисляют среднеарифметическое значение утла естест- венного откоса. 19.3. Определение угла естественного откоса под водой Подготовка грунта производится так же, как для воздушно- сухого грунта. Мерный столик устанавливают в кольцевой паз на дне пластмас- сового резервуара. Сверху на столик надевают обойму. Подготов- ленный грунт засыпают через горловину внутрь обоймы до самого верха, слегка постукивая по ней. излишек снимают линейкой. 144 К водопроводному крану подсоединяют резиновый шланг, вто- рой конец которого опускают на дно резервуара. Кран надо откры- вать медленно, чтобы вода тонкой струйкой постепенно заполнила резервуар доверху. После заполнения дают пять минут выдержки, чтобы вода заполнила все поры грунта, и он стал однородным по консистенции. Обойму осторожно приподнимают и извлекают из резервуара. По вершине образовавшегося конуса производят определение угла естественного откоса под водой и из выражения (19.1) вычисля- ют коэффициент внутреннего трения для грунта, находящегося под водой. Результаты измерений заносят в табл. 19.2. Т а б л и ц а 19.2 Результаты экспериментального определения угла естественного откоса № испы- таний Тип грунта Результаты измерения грунта воздушно-сухого под водой угол есте- ственного откоса а КОЗ ф ф И ц И с ент внутрен- него трения f угол есте- ственного откоса а x i w v p w n u n ент внутрен- него трения f 1 2 3 4 5 6 Задание 1. Определить угол естественного откоса в воздушно-сухом со- стоянии и под водой. 2. Определить вес одного кубического метра песка после его полного насыщения водой, если даны: вес 1 м"' сухого грунта; плотность частиц грунта. Выполнить задание двумя способами. Численные данные при- нять согласно варианту по табл. 19.3. Последовательность решения следующая. 145 Первый способ: 1). По формуле (15.8) определить значение пористости песка в долях единицы. 2). Определить вес воды в 1 м3 песка при полном заполнении его пор водой. Поскольку объем пор в 1 м3 песка Vn = 1 мъ • п, м3, то вес воды в 1 м песка при полном заполнении его пор водой Яв = Vn -pw, т, (19.2) гmpw-плотность воды, равная 1,0 т/мл. 3). Определить вес 1 м3 песка в состоянии полного водонасыще- ния. Он складывается из веса сухого песка (дано) в объеме 1 м3 и веса воды 17. Границу текучести определяют с помощью балансирного конуса А.М.Васильева (рис. 20.2), состоящего из подставки 1, бюксы 2, ко- нуса высотой 25 мм 3, стального прутка 4, двух балансирных шаров 5, ручки 6. Балансирный конус имеет угол при вершине 30°; на расстоянии 10 мм от вершины имеется круговая отметка. Общий вес прибора составляет 76±0,2 г. 149 Рис. 20.2. Прибор для определения верхнего предела пластичности глинистых грунтов 20.2. Определение границы текучести Границу текучести определяют как влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты, при которой балансирный конус по- гружается под действием собственного веса за 5 с на глубину 10 мм; Образец грунта объемом 100 см3, находящийся в воздушно- сухом состоянии, растирают в фарфоровой ступке, просеивают сквозь сито с сеткой № 1, увлажняют до состояния густой пасты дистиллированной водой. Подготовленную грунтовую пасту тща- тельно перемешивают шпателем и небольшими порциями плотно укладывают в цилиндрическую бюксу. Поверхность пасты заглажи- вают шпателем вровень с краями бюксы. Балансирный конус, смазанный тонким слоем вазелина, подво- дят к поверхности грунтовой пасты так, чтобы его острие касалось ее, и плавно отпускают конус, позволяя ему погружаться в пасту под действием собственного веса. Погружение конуса в пасту в течение 5 с на глубину 10 мм показы- вает, что грунт имеет влажность, соответствующую границе текучести. Если конус в течение 5 с погрузился на меньшую глубину, грун- товую пасту извлекают из чашки, присоединяют к оставшейся пас- те, добавляют немного дистиллированной воды, тщательно пере- мешивают и повторяют операции, указанные ранее. При погружении конуса за 5 с на большую глубину грунтовую пасту из бюксы перекладывают в фарфоровую чашку, слегка под- 150 сушивают на воздухе, непрерывно перемешивая шпателем, и по- вторяют операции. По достижении границы текучести из пасты отбирают пробу массой 15...20 г и определяют влажность грунта весовым методом, изложенным в лаб. раб. № 13 (выражение (13.1), 20.3. Определение границы раскатывания Граница раскатывания (пластичности) определяется так же, как влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты, при рас- катывании которой в жгут диаметром 3 мм грунт начинает распа- даться на кусочки длиной 3... 10 мм. Подготовку грунта производят, как для определения границы те- кучести, или используют часть грунта, оставшуюся после определе- ния верхнего предела пластичности. Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивают, берут небольшой кусочек и с легким нажимом раскатывают ладо- нью на стеклянной пластинке до образования жгута диаметром 3 мм, длиной не больше ширины ладони. Раскатывание продолжа- ют до тех пор, пока жгут не начнет распадаться по поперечным трещинам на кусочки длиной 3... 10 мм. Кусочки собирают в бюксы, накрываемые крышками. При массе грунта в бюксе 10... 15 г определяют влажность по методике, изло- женной в лаб. раб. №13. Результаты испытаний заносят в табл. 20.1. Т а б л и ц а 20.1 Результаты определения характерных влажностей и числа пластичности Характерная влажность Услов- ное обо- значе- ние Результаты взвешивания Влаж- ность грунта W, % масса пус- той бюксы т&г масса бюксы с влажным грунтом т ш , г масса бюксы с сухим грунтом Шс, г Граница текучести WL, % Граница раскатывания Wp, % Естественная влажность % 151 По полученным значениям границ текучести и раскатывания вы- числяют число пластичности из выражения IP = WL-WP,%. (20.1) Зная характерные влажности WL и Wp и естественную влажность W, можно определить консистенцию грунта, которая по междуна- родной классификации характеризуется показателем текучести, оп- ределяемым по формуле W-Wp I L (20.2) Показатель текучести IL измеряется в долях единицы. Полученное значение этого показателя сравниваем со значениями в табл. 7.7 и оп- ределяем консистенцию грунта. При IL < 0 супесь находится в твердом состоянии, при 0 < IL < 1 - в пластичном, при IL > 1 - в текучем. Задание 1. Определить число пластичности глинистого грунта. 2. Определить консистенцию грунта. 3. Определить наименование грунта и состояние, характеризуе- мое консистенцией, на основании лабораторных испытаний. Численные данные принять согласно варианту по табл. 20.2. Решение проводится в следующей последовательности. 1). Суммируя проценты содержания частиц, определить количе- ство частиц, %: гравийных; песчаных; пылеватых; глинистых. 2). По формуле (20.1) определить число пластичности. 3). По содержанию песчаных частиц и значению числа пластич- ности с использованием табл. 10.2 определить тип грунта. 4). По содержанию гравийных частиц и с использованием табл. 7.7 определить вид грунта. 5). По формуле (20.2) определить показатель текучести. 6). По табл. 7.7 определить консистенцию грунта. 152 Т а б л и ц а 20.2 Исходные данные Варианты Показатели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Граница текучести Wl 30 31 32 33 34 35 36 37 29 28 Граница раскатывания Wp 18 19 20 21 22 23 24 25 17 16 Естественная влажность W s 6 7 8 9 10 11 12 13 141 Грануло- метриче- ский состав 1 1 > 10 5 20 10 10...2 10 3 2 2...1 15 5 18 1...0.5 5 10 10 0.5...0Л 10 6 7 I ОД. .0,05 10 6 3 1 0,05...0,005 20 40 30 < 0,005 25 10 20 j Вопросы для самопроверки 1. Какие виды влажности называются характерными? 2. По каким признакам классифицируются тип и вид глинистых грунтов? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ Цель работы: 1. Изучение параметров, характеризующих водопроницаемость грунта. 2. Определение коэффициента фильтрации предложенного грунта. 15.1 Аппаратура: Прибор Союздорнии для определения коэффициента фильтра- ции грунтов, трамбовка для их уплотнения, бюксы, стеклянный ста- кан, фильтровальная бумага, сито с диаметром отверстий 5 мм, тех- нические весы, разновесы, электрическая плитка. 21.1. Характеристика водопроницаемости грунтов Водопроницаемостью грунта называется способность пропус- кать через свою толщу воду, находящуюся под влиянием силы тя- жести или под действием гидростатического напора. Водопроницаемость песчаных и крупнообломочных грунтов за- висит от степени однородности их гранулометрического состава, наличия примеси глинистых частиц или органических веществ. Во всех случаях в неоднородных грунтах размер пор значительно меньше, чем в однородных, и, следовательно, их водопроницае- мость существенно ниже. Характеристика грунтов по водопрони- цаемости приведена в табл. 21.1. Т -э Я тт м т, ~ 01 1 ж u v а /1 ч u i . 1 , 1 Коэффициент фильтрации различных грунтов и характеристика их водопроницаемости (по Н.Н.Маслову) Грунты Кф, м/сут Характеристика фунтов по водопроницаемости Глины, монолитные скальные грунты 5-Ю"5 практически водонепро- ницаемые Суглинки, тяжелые супеси, нетрещи- новатые песчаники до 5-Ю"3 весьма слабо водопрони- цаемые Супеси, слаботрещиноватке глинистые сланцы, песчаники, известняки до 0,5 слабо водопроницаемые Пески тонко- и мелкозернистые, тре- щиноватые скальные грунты ..л С АЧ •> водопроницаемые Пески среднезернистые, скальные грунты повышенной трещиноватости до 50 хорошо водопроницае- мые Галечники, гравелистые пески, сильно- трещиноватые скальные фунты > 5 0 сильно водопроницаемые 154 Движение воды через грунты, даже крупнозернистые, является ламинарным и подчиняется линейному закону фильтрации - закону Дарси (21.1) где W~ скорость фильтрации; Кф - коэффициент фильтрации; I - градиент напора, представляющий собой отношение потери напора ДН к длине пути фильтрации L, 1 г . . Л Н = Н2-Н1 L L (21.2) Водонепроницаемость грунтов количественно характеризуется коэффициентом фильтрации, который представляет собой расход воды в единицу времени через единицу площади поперечного сече- ния грунта при напорном градиенте, равном единице. Коэффициент фильтрации песчаного грунта, приведенного к ус- ловиям фильтрации при температуре 10°С, вычисляют по формуле „ и-т ^ Н о (21.3) где h - высота образца грунта в трубке, см; 864 - переводной коэффициент из см/с в м/сут; t - время падения уровня воды, с; Т-(0,7+0,03Тф) - температурная поправка к условиям фильтра- ции воды при температуре 10°С, где Тф- фактическая температура воды во время опыта, °С; S - наблюдаемое падение уровня воды в пьезометре, отсчитан- ное от первоначального уровня, см; Но - начальный напор, см; S 9 Н о - безразмерный коэффициент, определяемый по табл. 21.2. 155 Т а б л и ц а 30.1 Значения S Нц 5 Я0 Г s ] ' s 1 <р г S ] iHo\ Г s 1 9 н Г s 1 Г s ] 9 и L^o J 0,01 0,010 0,34 0.416 0,67 1,109 0,02 0,020 0,35 0.431 0,68 1.139 0.03 0.030 0.36 0.446 0,69 1,172 0,04 0,040 0,37 0,462 0,70 1,204 0,05 0,051 0,38 0,478 1,238 0,06 0,062 0,39 0.494 0,72 1,273 ! 0,07 0,073 0,40 0,510 0,73 1.309 1 0,08 0,083 0,41 0,527 0,74 1,347 0,09 0,094 0,42 0,545 0,75 1,386 0,10 0,105 0,43 0,562 0,76 1,427 0.11 0.117 0.44 0,580 0.77 1,470 п п 10 v,v * ^ 0,128 0,45 0,598 0.78 1,514 п тг 0,139 0.46 0,616 0 79 1,561 0.14 0.151 0,47 0,635 0,80 1.609 0,15 0,163 0,48 0.654 П g] 1,661 0.16 0,174 0,49 0,673 0,82 1,715 0,17 0,186 0.50 0,693 0,83 1,771 1 0,18 0,196 0,51 0,713 0,84 1,833 j 0,19 0,210 0,52 0,734 0,85 1,897 0,20 0,223 0,53 0,755 0,86 1,966 0,21 0,236 0,54 0,777 0,87 2,040 0,22 0,248 0,55 0,799 0,88 2,120 0,23 0.261 0,56 0,821 0,89 2,207 0,24 0,274 0,57 0,844 0,90 2,303 0.25 0,288 0.58 0,868 0,91 2,408 0,26 0,301 0,59 0,892 0,92 2.526 Л 1-1 / f) о к А u,uu 0,916 0,93 , у . 0,28 0,329 и, 01 0,941 г\ л n 0 1 ^ z ,bu 0,29 0,346 0,62 0,967 0.95 2.996 0,30 0,357 0,63 0,994 0,96 3,219 0,31 0,371 0,64 1,022 0,97 3,507 I 0,32 0,385 0,65 1,050 0,98 3,912 п « 0,400 0.66 1,079 0,99 4,605 156 Коэффициент фильтрации определяется на образцах грунта на- рушенного сложения при максимальной плотности и оптимальной влажности в соответствии с ГОСТ 25584-90 на приборе для опреде- ления коэффициента фильтрации песчаных грунтов (рис. 21.1). В комплект оборудования входят прибор Союздорнии для опре- деления коэффициента фильтрации песчаных грунтов и трамбовка с массой падающего груза 0,5 кг. Рис. 21.1. Прибор для определения коэффициента фильтрации грунтов и трамбовка дня их уплотнения Прибор Союздорнии для определения коэффициента фильтра- ции состоит из следующих основных частей: фильтрационной трубки 1 высотой 220 мм и внутренним диаметром 50,5 мм; пьезо- метра 2 с делениями от 0 до 50 мм; стакана 3 для создания градиен- та напора, равного единице; поддона 4; подставки 5 для трубки с прорезями в боковых стенках и отверстиями в днище; сетки латун- ной 6 с ячейками диаметром 0,25 мм; съемного перфорированного дна 7 с отверстиями диаметром 3 мм. Трамбовка состоит из следующих основных частей: фиксатора 8, направляющей 9, падающего груза 10, наковальни 11. Метод определения коэффициента фильтрации распространяется на песчаные грунты, применяемые в дорожном и аэродромном 5 11.2. Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта 157 строительстве для устройства дренирующих и морозозащитных слоев дорожной и аэродромной одежды, Для испытания грунт высушивают до воздушно-сухого состоя- ния и просеивают через сито с отверстиями 5 мм. Определяют гиг- роскопическую влажность грунта, находящегося в поддоне сита, методом высушивания до постоянной массы по ГОСТ 5180-84 со- гласно методике, изложенной в лаб. раб. № 13. Из поддона сита отбирают пробу массой не менее 450 г, поме- щают в отдельную емкость, увлажняют с помощью мерного цилин- дра. Ориентировочное количество воды - 35... 40 мл. Уточненное количество воды, необходимое для увлажнения, по- лучают из выражения е= " w g , (21.4) где т - высота пробы грунта, г; WD!m - оптимальная влажность грунта, доли единицы; Wg — гигроскопическая влажность грунта, доли единицы; Рв — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3. Из увлажненного грунта отбирают пробу массой 15...20 г и оп- ределяют весовым методом влажность (лаб. раб. № 13), при которой производилось уплотнение грунта. Из подготовленной пробы влажного грунта отбирают навеску массой т для помещения в фильтрационную трубку прибора. Массу навески т определяют по формуле m = V- Pdmax(l + Wonm), (21-5) где V- объем грунта в трубке, равный 200 см3; pd max ~ максимальная плотность сухого грунта, установленная по ГОСТ 22733-77 (лаб раб № 16), Трубку прибора заполняют грунтом в следующем порядке: 1. На съемное перфорированное дно с латунной сеткой уклады- вают кружок фильтровальной бумаги, смоченной водой, после чего дно соединяют с трубкой и устанавливают на жесткое массивное основание. 158 2. Навеску влажного грунта массой ш делят на три порции, кото- рые последовательно укладывают в трубку, уплотняя каждую из них при помощи трамбовки 40 ударами груза с высоты 300 мм; пе- ред укладкой поверхность каждой предыдущей уплотненной пор- ции взрыхляют ножом на глубину 1... 2 мм. 3. Измеряют линейкой расстояние от верхнего края трубки до поверхности уплотненного грунта; высота грунта в трубке должна составлять (100±1) мм. На поверхность грунта укладывают слой гравия (фракция 2... 5 мм) толщиной 5... 10 мм. Трубку с грунтом устанавливают на подставку, а затем - в стакан, который постепенно наполняют водой до верха. Стакан с трубкой помещают в емкость для воды и заполняют ее до уровня выше слоя гравия на 10.. . 15 мм. После появления воды в трубке под слоем гравия доливают воду в верхнюю ее часть при- мерно на треть высоты. Извлекают стакан с трубкой из емкости и устанавливают его на поддон. В этом случае начальный градиент напора в образце фунта равен единице. Доливают воду в фубку не менее чем на 5 мм выше нулевого деле- ния пьезомефа. При вытекании воды через перфорированное дно с помощью секундомера определяют время падения уровня воды Б пье- зометре от 0 до 50 мм. Измерения повторяют не менее четырех раз, каждый раз доливая воду в фубку на 5 мм выше нулевого деления. При времени падения уровня воды в пьезомефе более 2 мин допуска- ется уменьшать высоту падения уровня, более 10 мин - допускается проводить испытание при начальном фадиенте напора, равном двум. В этом случае фубку с подставкой извлекают из стакана на поддон, в котором отсутствует вода. Не допускается снижение уровня воды в фубке ниже слоя гравия. Коэффициент фильфации песчаного фунта Кю, м/сут, приве- денный к условиям фильфации при температуре 10°С, вычисляют по формуле (21.3). Результаты лабораторных испытаний заносят в табл. 21.3. 159 Т а б л и ц а 21.3 Результаты лабораторных испытаний Мас- Ори- Оптимальная влажность Время Факти- Па- На- S Kio, са енти- грунта, г паде- ческая дение чаль- ы/сут н о грун- ровоч- мас- мас- мас- влаж- ный ния темпе- уров- та, ное са са са ность про- коли- пус- бюк- бюк- грунта уров- ратура ня в напор сеян- чество той сы с сы с W,% ня воды пьезо- Но, см ного добав- бюк- влаж- су- воды Тф,°С метре через лен- сы ным хим t ,c S, см сито, ной Шб грун- грун- га,г воды, мл том Швл том Шс 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 п 12 Задание 1. Определить коэффициент фильтрации песчаного грунта. 2. Оценить грунт по водопроницаемости на основании результа- тов лабораторных испытаний. Исходные данные для расчета пред- ставлены в табл. 21.4. Т а б л и ц а 21.4 Исходные данные Показатели лаборатор- ного анализа Еди- ницы изме- ре- ния Варианты 1 2 3 4 5 6 т / 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 Начальный напор Но, см 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 од Наблюдае- мое паде- ние уровня воды в пьезометре So, см 0,05 0,18 0,24 0,28 0,3 0,3 0,28 0,24 0,18 0,095 Фактиче- ская темпе- ратура воды % 11 12 13 14 16 17 18 19 20 Время паде- ния уровня воды t,c 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 160 Решение осуществляется в следующей последовательности. 1). Определить безразмерный коэффициент по табл. 21.2 на ос- новании начального напора и падения уровня воды в пьезометре. 2). По формуле (21.3) определить коэффициент фильтрации пес- чаного грунта, приведенного к условиям фильтрации при темпера- туре 10°С. 3). По табл. 21.1 определить характеристику грунта по водопро- ницаемости. 4). По табл. 21,1 определить тип исследуемого грунта. Вопросы для самопроверки 1. На основании каких характеристик оценивается водопрони- цаемость грунта? 2. Какому закону подчиняется фильтрационное движение грун- товых вод в порах грунта? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМОКАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ Цель работы: 1. Изучение водопронностных свойств грунтов, 2. Ознакомление с методикой определения скорости размокания грунтов. 3. Определение скорости размокания грунта нарушенной струк- туры. Аппаратура: Сито с отверстиями 2 мм, бюксы, технические весы, разновесы, ПРГ, лабораторный нож, электрическая плитка, поршень для вы- давливания грунта. 22.3. Характеристика водопрочноети грунтов Под водопроч костью грунтов понимают их способность сохра- нять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Это взаимодействие может быть статическим и гидродина- мическим. При статическом взаимодействии воды и грунта проис- 161 ходят явления набухания и размокания, при гидродинамическом - размыв грунта. Следовательно, водопрочность грунтов можно ха- рактеризовать по их размокаемости и размываемости. Под размокаемостью грунтов понимают их способность при взаимодействии со спокойной водой терять связность и превра- щаться в рыхлую бесформенную массу с частичной или полной по- терей несущей способности. Это явление обусловлено образовани- ем вокруг минеральных частиц гидратных оболочек, полностью устраняющих внутренние структурные связи. Способностью к раз- моканию обладают дисперсные грунты, а также твердые осадочные породы с растворимым или глинистым цементом. Показателями размокаемости являются время и характер размока- ния. Время размокания - это время, в течение которого образец грунта, помещенный в воду, распадается на структурные элементы. Характер размокания образца грунта - крупные или мелкие комочки, пыль и т.д. Размокаемость глинистых грунтов зависит от их состава, на- чальной влажности, наличия цементационных связей, водостойко- сти, степени выветриваемости, нарушенности естественной струк- туры, состава обменных катионов и т.д. Определение скорости размокания грунтов представляет собой испытание грунтов на устойчивость под водой. Обвазцы грунтов, находящиеся в воде под нагрузкой, размокают быстрее, чем образ- цы, не испытавшие давления. Величина размокаемости используется при оценке явлений, возни- кающих при разработке берегов водохранилищ, устойчивости откосов каналов, стенок котлованов и других земляных сооружений. Определение размокаемости производится на образцах с нарушен- ной и ненарушенной структурой. Для этого применяется прибор для определения размокаемости грунта - ПРГ (рис. 22.1). Прибор состоит из прозрачной пластмассовой или стеклянной емкости 1, коромысла 2, стрелки 3, нити 4, подставки 5 и режущего кольца 6. . - У Л А - 6 . Рис. 21.1. Прибор дня определения размокания грунта 162 22.2. Определение скорости размокания грунта 1. Грунт ненарушенной структуры. Из монолита горной породы в зависимости от наличия кристал- лических связей вырезают кубический образец 50x50x50 мм или с помощью режущего кольца диаметром и высотой 30 мм - цилинд- рический. Излишки породы срезают ножом вровень с краями ци- линдра. Одновременно из того же монолита отбирают пробу для определения естественной влажности (лаб, раб. № 13), Образец ос- торожно выдавливают из режущего кольца с помощью поршня. Регулируют прибор ПРГ, для чего в емкость напивают воду до отметки на внешней стороне корпуса и опускают в нее сетку, под- вешенную на нити к коромыслу. Стрелку коромысла устанавливают в нулевое положение. Сетку с отверстиями 10 мм2 извлекают из во- ды, ставят на край емкости, устанавливают на нее кубик или ци- линдр породы и осторожно опускают в воду. Первоначальное по- ложение стрелки на шкале, нанесенной на боковую грань емкости, записывают, числовые отметки фиксируют через определенные промежутки времени (2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 мин и т.д.) до полного распада грунта, т.е. когда стрелка установится на нулевое деление. Г) у ^^ 1 Результаты испытании заносят б хаил. ^i.i . Т а б л и ц а 22.1 Результаты определения скорости распада грунта № об- Первоначальная влажность грунта Время, про- шед- шее с начала опыта Отметки по шкале Про-цент рас- пада фун- та разца грун- та масса пустой бюксы Год, Г масса бюксы с влажным грунтом Говл, г масса бюксы с сухим фунтом т с , г влаж- ность фун- та W, % на- чаль- ная после- дующая 1 1 т Z. т J 4 5 6 7 8 9 По ним определяют числовую характеристику скорости распада грунта под водой. Процент распада находят по формуле Г-Г I 163 где П - процент распада, %; Г - начальная числовая отметка; Р - числовая отметка в процессе размокания. По результатам испытаний строят график, где по оси абсцисс от»1 кладывают время, прошедшее с начала эксперимента, по оси орди» нат - процент распада грунта. 2. Грунт нарушенной структуры. Из грунта, находящегося в воздушно-сухом состоянии, метод»» ми, указанными в лаб. раб. № 10, отбирают навеску массой 800 г, Взятую пробу пропускают через сито с диаметром отверстий 2 мм, Из прошедшего через сито грунта отбирают навеску массой 500 г, добавляют начальное количество воды - 40 мл, тщательно переме- шивают до однородного состояния. Из грунта полученной коней* стенции отбирают навеску массой 15...20 г и весовым методом оп« ределяют его влажность (лаб. раб. № 13), Этим же грунтом заполняют цилиндр прибора высотой и диа- метром 30 мм, уплотняют его с помощью поршня, лабораторным ножом зачищают верхнюю и нижнюю кромки ооразца и в таком состоянии выдерживают в течение 5... 10 Мин, затем с помощью поршня осторожно выдавливают из кольца и помещают на сетку прибора. Дальнейшие измерения производят так же, как для грунта нена- рушенной структуры (см. пункт 1). После определения скорости распада грунта начальной конси- стенции увеличивают влажность грунта, добавив еще 20 мл воды, Весовым методом определяют точное ее содержание и повторяют испытания. Всего проводится три цикла таких испытаний. На гра- фике зависимости процента распада грунта от времени должны быть изображены три кривые, имеющие различную начальную влажность. Задание 1. Определить скорость размокания грунта ненарушенной и на- рушенной структуры. 2. Построить графики зависимости процента распада грунта от времени. 164 Вопросы для самопроверки 1. Как влияет начальная влажность грунта на скорость его раз- мокания? 2. Сравните размокание грунта у различных типов песчаных и глинистых грунтов. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 23 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАБУХАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД Цель работы: 1. Изучение показателей, характеризующих набухание грунта. 2. Определение величины набухания глинистого грунта. Аппаратура: Компрессионный прибор, рабочее кольцо диаметром 71 мм и высотой 20 мм, индикаторы часового типа, гири, предметное стек- ло, шпатель, сито с диаметром отверстий 2 мм, стеклянный стакан, технические весы, разновесы, бюксы, электрическая плитка, фар- форовая ступка, пестик. 23.1. Характеристика грунтов по набуханию Под набуханием грунта понимают увеличение его объема при увлажнении. Набухание присуще глинистым грунтам и связано с гидрофильностью глинистых минералов, слагающих связные грун- ты, и их большой удельной поверхностью. Набухание происходит в результате гидратации грунта. Оболоч- ки связанной воды, образующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц в результате увлажнения, уменьшают силы сцепления между ними, раздвигают их и этим вызывают увеличение объема грунта. Как правило, тяжелые глинистые грунты имеют максимальную ве- личину набухания, а супеси и пески — очень малую. Набухание зависит от минералогического и гранулометрическо- го состава грунта, состава обменных ионов, сложения грунта, соот- 165 ношения между концентрацией растворимых солей в поровом рас- творе породы и в свободной воде, воздействующей на нее. Из глинистых минералов наибольшее набухание свойственно ми- нералам группы монтмориллонита (лаб. раб. № 10), наименьшее - ми- нералам группы каолинита. Чем выше дисперсность частиц, сла- гающих грунт, тем больше его набухание. По способности увеличивать набухание наиболее часто встре- чающиеся в дисперсных грунтах катионы можно расположить в следующей последовательности: т •+ -»т + * Ж ++. Г*. ++. Л t+++. Y". +++ 1л >гча ж >Mg >ьа >AI >ге , т.е. наибольшей способностью к набуханию обладают одновалентные катионы, наименьшей - трехвалентные. В глинистых грунтах с нарушенной структурой набухание боль- ше, чем с ненарушенной. Наибольшее набухание происходит в дистиллированной воде; по мере увеличения в грунте концентрации солей порового раствора и воды набухание уменьшается. Показателями, характеризующими набухание грунта, являются (ГОСТ 24143-80): свободное набухание eSw; набухание под нагрузкой еР; давление набухания Ре; влажность набухания Ws. Величину свободного набухания определяют путем испытания одиночного образца в условиях, исключающих возможность боко- вого расширения при насыщении грунта водой. Для этого применя- ется прибор для определения свободного набухания грунтов (ПНГ). Показатели набухания грунтов под нагрузкой и давления набуха- ния определяются в компрессионных приборах (рис. 23.1). Прибор состоит из рабочего кольца 1 с внутренним диаметром более 71 мм и высотой более 20 мм с соотношением высоты к диаметру 1:3,5; перфорированного дна 2; перфорированного штампа 3; корпуса 4, состоящего из двух разъемных частей и имеющего систему дре- нажных выточек в нижней части; штатива 5; индикатора часового типа 6. 166 е : 3 . 1 — 5 - 4 Рис. 23.1 Схема применения компрессионного прибора для измерения свободного набухания 23.2. Определение набухания глинистых пород Грунт, находящийся в воздушно-сухом состоянии, просеивают через сито с отверстиями 2 мм. Комочки глины, оставшиеся на сите, переносят в фарфоровую ступку и растирают пестиком с резиновой насадкой, затем опять пропускают через сито. Из просеянного грун- та отбирают навеску массой 500 г, добавляют дистиллированную воду в количестве 50 мл, тщательно перемешивают до получения однородной массы: из увлажненного грунта формируют лепешку, в которую вдавливают рабочее кольцо компрессионного прибора. Излишек грунта срезают лабораторным ножом и заглаживают вро- вень с краями кольца. Компрессионный прибор разбирают, на перфорированное дно и сверху на образец укладывают по кружку мокрой фильтровальной бумаги, и опять собирают прибор. На штативе закрепляют индикатор часового типа, ножку которо- го устанавливают на центральном стержне штампа. Записывают начальное положение стрелки индикатора. Штуцер выходного отверстия дренажной системы корпуса со- единяют с помощью резинового шланга со стаканом воды. Сверху в компрессионный прибор наливают на штамп дистиллированной воды, создавая пленку воды толщиной 1...2 мм. За ней постоянно ведут наблюдение, и как только она начинает исчезать, подливают воду на штамп. Через 5, 10, 20, 30 и т.д. (до 60) мин с индикатора снимают показания. Началом набухания считается относительная деформация, превышающая 0,001. Результаты измерений заносят в табл. 23.1. 167 Т а б л и ц а 23.1 Результаты определения величины и влажности набухания грунтов Вре- мя от Показатели индикатора Аб- со- Величи- на отно- ситель- ной дефор- мации 6, мм Влажность грунта после набухания на- чала испы- та- ний t, мин на- чаль- ное по- сле- дую- щее лют- ная де- фор- ма- ция ДИ, мм Вы- сота об- раз- ца h, мм масса пустой бюксы Шб, г масса бюксы с влаж- ным фун- том 1Лщь Г масса бюк- сы с сухим фун- том Шс, г влаж- ность фун- та W, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 После завершения набухания образца грунта необходимо слить воду из прибора, разобрать его, отобрать из грунта, находящегося в кольце, навеску в 15...20 г и определить его влажность, соответст- вующую величине максимального набухания. По результатам испытаний вычисляют величину абсолютной деформации грунта как разность конечных и начальных показате- лей индикаторов: Ah = tii-п0, где Лh - абсолютная деформация фунта, мм; И/ - конечное показание индикатора, мм; щ - начальное показание индикатора, мм. Затем определяют величину относительного набухания образца где h - первоначальная высота образца, мм. Задание 1, Определить набухание глинистой породы. 2. Сравнить величину относительного набухания фунта с дан- ными, приведенными в табл. 7.7, и определить категорию фунта по степени набухаемости. "168 Вопросы для самопроверки 1. Какие показатели характеризуют набухание грунта? 2. Чем отличается свободное набухание от набухания грунта под нагрузкой? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 24 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСАДКИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ Цель работы: 1. Изучение показателей, характеризующих усадку грунта. 2. Определение величины усадки глинистого грунта. 3. Расчет влажности на пределе усадки. Аппаратура: Рабочее кольцо компрессионного прибора внутренним диамет- ром более 71 мм и высотой более 20 мм с соотношением высоты к диаметру 1:3,5; предметное стекло, покрытое тонким ровным слоем парафина; шпатель; штангенциркуль с погрешностью измерения 0,05 мм; микрометр; технические весы, разновесы; сито с диамет- ром отверстий 2 мм; емкость с крышкой объемом 1 л для сушки об- разцов. 24.1. Характеристика грунтов по усадке Усадкой грунта называется уменьшение его объема при высыха- нии. Это явление противоположно набуханию. В результате грунт становится более плотным, а после высыхания - твердым. Усадка - сложный физико-химический процесс, при котором происходит не только механическое уплотнение грунта, но и перераспределение его химических компонентов, т.е. изменение характера структур- ных связей между частицами, Усадка грунта протекает лишь до определенной плотности, при которой наступает равновесие между силами, возникающими при усадке и стремящимися сблизить частицы, и силами сопротивления 169 структуры грунта. Поэтому в качестве показателя усадки глинисто- го грунта часто используют величину влажности на пределе усадки и соответствующий ей коэффициент пористости, характеризующий ту плотность, которую может приобрести данный грунт в результа- те усадки. Величина усадки зависит от начальной влажности грунта, коли- чества и химико-минералогического состава глинистых частиц и наличия более крупных фракций. Глины и суглинки дают большую величину усадки, супеси - крайне малую. Показателями, характеризующими усадку грунта, являются (ГОСТ 24143-80): 1) величина усадки по высоте Е3Ь; 2) величина усадки по диаметру sSd; 3) величина усадки по объему eSv; 4) влажность ка пределе усадки WE. Характеристики усадки грунта определяются в условиях свобод- ной трехосной деформации при высыхании грунта. При усадке испарение воды из образца грунта не должно вызы- вать образования усадочных трещин. 24.2. Определение величины усадки глинистого грунта Грунт в воздушно-сухом состоянии просеивают через сито с размером отверстий 5 мм по методике, описанной в лаб. раб. № 23, Из просеянной массы отбирают навеску фунта 500 г, помещают в отдельную емкость, увлажняют и на приборе - балансирном кону- се А.М.Васильева определяют границу текучести (лаб, раб. № 20). Грунт из балансирного конуса возвращают к общей навеске. Зная влажность, соответствующую границе текучести, рассчи- тывают 10% от этой влажности, отмеряют нужное количество воды в мерном стакане и добавляют к грунту для его увлажнения, Общая влажность грунта становится больше влажности на границе текуче- сти на 10%. Взвешивают предметное стекло с точностью до ±0,01 г. Грунт тщательно перемешивают шпателем и заполняют рабочее кольцо компрессионного прибора, предварительно смазанного тонким сло- ем технического вазелина. Образование пустот при этом не допус- кается. 170 Приготовленный образец перекладывают на предметное стекло, покрытое тонким слоем парафина, взвешивают и помещают в ем- кость с крышкой. За начальные размеры образца принимают разме- ры кольца по высоте и внутреннему диаметру. Образец грунта, не вынимая из цилиндра, высушивают на возду- хе в течение 1... 2 суток. По мере подсыхания он дает усадку и от- ходит от стенок. Тогда кольцо удаляют и продолжают сушить один грунт. Испытание усадки проводится в три этапа. На первом и втором этапе измерения высоты и диаметра произ- водятся не реже двух раз s сутки. Критерием завершения испыта- ний на первом этапе является отсутствие изменений линейных раз- меров образца в двух последовательных измерениях. На первом этапе образец подсушивают в емкости с крышкой, на втором - на воздухе, на третьем - в термостате при температуре 105±2°С до постоянной массы; в конце испытания производят кон- трольное измерение линейных размеров образца грунта. Высоту и диаметр образца определяют с точностью до ±0,05 мм. При каждом измерении производят взвешивание грунта, D/„l, г я , mtm, • , i n , ,о»,аТТ,ТТ1 ПИ'ЛЛГП. П w j f i ^ О Л 1 S V > V 113 I J IJ! 11>Л! i П 11 )l_il 1V >V.71 1 D ; 1»W. 1 Л. Т а б л и ц а 24. i Результаты измерений усадки грунта Время, про- шедшее от нача- ла испы- тания, мин Параме Г] тры измерения рунта, см Влажность грунта в момент измерений высота образ- ца h диа- метр об- разца d объем грунта V масса пустой бюксы Шб, г масса бюксы с влажным грунтом Швл, г масса бюксы с сухим грунтом тс, г влаж- ность грунта W 1 •S Z. 1, 4 5 6 7 8 По результатам испытаний усадки следует определить: 1) объем грунта на каждый момент измерения по форму ле см3, (24.1) 4 171 2) влажность грунта на каждый момент измерения в долях еди ницы по формуле (24.2) 3) усадку по высоте, диаметру и объему по формулам h-h (24.3) где h, d, V - начальные значения высоты, диаметра и объема образца грунта; hg, dft У к - конечные значения тех же показателей. По величине объема и влажности на каждый момент времени строят график зависимости изменения объема образца от влажности V =f(W) (рис. 24.1). Для правильного изображения зависимости следует использо- вать следующие масштабы: для влажности (по горизонтали): 0,05 - 10 мм; для объема (по вертикали): 2 см3 - 10 мм. V, е м 3 W (ДОЛИ МИНИНЫ) Wy Рис. 24.1. График зависимости изменения объема образца от изменения влажности в процессе усушки 172 За величину влажности на пределе усадки We принимается влажность, соответствующая точке перегиба графика V =f(W). Задание 1. Определить величину усадки глинистого грунта. 2. Построить график зависимости изменения объема образца от влажности. 3. Определить влажность на пределе усадки. Вопросы для самопроверки 1. Какие показатели характеризуют усадку грунта? 2. Как определить влажность на границе усадки? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 25 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ ГРУНТОВЫХ РАСТВОРОВ Цель работы; 1. Изучение показателей, характеризующих физико-химическую природу грунтовых вод. 2. Определение кислотности предлагаемых грунтов. Аппаратура: Универсальные индикаторные бумаги рН 0-12, сито с отвер- стиями диаметром I мм, стакан емкостью 500 см3, пипетка. 25.1. Характеристика жидкой фазы грунтов Вода, заполняющая промежутки между твердыми минеральными частицами, никогда не бывает химически чистой. В ней могут быть растворены минеральные соли, углекислоты, а также присутство- вать коллоидно-раздробленные вещества. Содержание растворимых солей и кислот в жидкой фазе резко влияет на степень гидратации, дисперсность и другие свойства глинистой части грунтов. 173 Состав жидкой фазы зависит от процессов выветривания и поч- вообразования. Содержание растворимых солей в грунтовых водах постепенно увеличивается по мере продвижения с севера на юг. Важнейшим показателем физико-химической природы грунто- вых вод является показатель концентрации водородных ионов - рН. Показатель рН характеризует соотношение свободных ионов Ни и ОН-1. В зависимости от этого характер реакции будет сле- дующим: нейтральная реакция НГ1 = ОН"1 при рН = 7; щелочная реакция Н1' < ОН"1 при рН > 7, кислая реакция Н1"1 > ОН"1 при рН < 7, В зависимости от количества и состава растворенных веществ рН грунтовых вод может изменяться от 1 до 13. Наличие растворимых солей в жидкой фазе грунта оказывает за- метное влияние на процесс промерзания и оттаивания грунтов, - например, понижает температуру замерзания воды до - 1,5°С. Для определения кислотности грунтовых растворов применяют универсальные индикаторные бумаги рН 0-12, на футляре которых нанесена цветная шкала, обозначающая степень кислотности по ок- раске индикатора (рис. 25.1). Выпускаемые бумажные индикаторы при воздействии с водным раствором окрашиваются в различные тона: фиолетовые указывают на щелочную реакцию раствора, оранжево-желтые - на кислую. Рис. 25.1. Шкала для определения кислотности грунтового раствора 174 25.2. Определение кислотности грунтовых растворов Пробу грунта высушивают до воздушно-сухого состояния, для чего грунт с естественной влажностью в количестве 1000 г рассти- лают тонким слоем на пленке или бумаге на открытом воздухе. Подсушивание сопровождается периодическим перемешиванием и выравниванием в тонкий слой. Из высушенного грунта методом квартования отбирают пробу массой 200 г и просеивают через сито с отверстиями 1 мм. Из грун- та, находящегося в поддоне сита, отбирают навеску массой 100 г. Навеску грунта массой 100 г помещают в стакан емкостью 500 см3, наливают 250 мл дистиллированной воды (рН = 6,6...6,8) и пере- мешивают, после чего суспензию отстаивают. Пипеткой отбирают прозрачный раствор для определения реакции грунта, опускают в него индикаторную бумагу, по изменению ее окраски определяют величину рН. Результаты испытаний заносят в табл. 25.1. Т а б л и ц а 25.1 гезультаты определения кислотности грунта № грун- та Место отбора пробы шунта Вид грунта, определенный визуальным методом Время отстаивания суспензии Цвет инди- каторной бумаги Кислотность грунтового раствора 1 2 з 4 5 6 Задание Определить кислотность грунтового раствора. Вопросы ДЛЯ СаМОПрОЕсрКИ 1. Что характеризует водородный показатель грунтов? 2. Какие значения водородного показателя характерны для ки- слой и щелочной среды? 175 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 26 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ В ГРУНТЕ Цель работы: 1. Изучение методов определения органических веществ в грунтах. 2. Определение содержания растительных остатков в грунте су- хим и мокрым способами. Аппаратура: Лабораторный микроскоп, увеличительное стекло, пинцет, пред- метное стекло, песчаный шкаф, стеклянный стакан, шпатель, фарфо- ровые чашки и ступка с пестиком, сита с сетками № 1 и № 0,25. 26.1. Методы определения органических веществ в грунте При инженерно-геологическом изучении песчаных и особенно глинистых пород весьма важно знать содержание в них органиче- ских веществ, влияющих на их физические, водные и механические свойства. С увеличением содержания, повышением степени разло- жения этих веществ заметно усиливаются коллоидные свойства по- род, повышается их гидрофобность, влагоемкость, деформируе- мость, снижается прочность. Поэтому при содержании в песчаных породах растительных остатков от 3 до 10%, а в глинистых - от 5 до 10% обязательно отмечают их присутствие. Породы, содержащие от 10 до 60% органики, называют гумусированными, или заторфован- ными. Породы, содержащие ее более 60%, относят к торфам. Для определения содержания органических веществ в грунте надлежит установить раздельно количество растительных остатков и гумуса. Растительные остатки - это неразложившиеся механические включения растений. Гумус - сложный агрегат темноокрашенных аморфных продук- тов, преимущественно биохимического разложения отмерших ос- татков организмов. Растительные остатки выделяются из грунта сухим или мокрым способом, после чего определяется их количество. 176 Для установления количества гумуса необходимо определить содержание углерода разложившихся органических веществ в грун- те - органического углерода. Для этого применяют методы: окси- дометрический, основанный на окислении органического вещества с последующим титрованием раствором соли Мора, и сухого сжи- гания, основанный на сжигании навески в потоке кислорода при температуре 950...1000°С до прекращения выделения углекислого газа. Оксидометрический метод применяется для определения орга- нического углерода в песчаных и глинистых грунтах, содержащих менее 10% гумуса, метод сухого сжигания - в грунтах морского, болотного и озерного происхождения. 26.2. Определение растительных остатков 1. Выделение растительных остатков сухим способом. Растительные остатки выделяют из средней пробы грунта воз- душно-сухого состояния и определяют их количество в процентах (ГОСТ 23740-79). Для проведения испытаний отбирают пробу грунта и доводят ее до воздушно-сухого состояния. Из сухого грунта методом квартования (лаб. раб. N° 10) отбирают среднюю пробу массой не менее 100 г, пе- реносят в фарфоровую ступку и пестиком с резиновым наконечником растирают до размеров агрегатов 3...5 мм. Подготовленный грунт тщательно перемешивают и тем же методом отбирают пробу массой не менее 25 г. Одновременно отбирают 15...20 г грунта для определе- ния гигроскопической влажности (лаб. раб. № 13). Взятую пробу (25 г) помещают на стекло с подложенной под не- го белой бумагой (для фона). Растительные остатки отбирают с по- мощью острого предмета (заточенного карандаша или пинцета), раздавливая комочки грунта, переносят на чашку технических весов и взвешивают с точностью до 0,01 г. Результаты измерений заносят в табл. 26.1. Гигроскопическую влажность определяют из выражения (13.1). Для пересчета воздушно-сухой навески на сухую применяют ко- эффициент (26.1) 100 где Wg - гигроскопическая влажность в процентах. 177 Т а б л и ц а 30.1 Результаты определения растительных остатков сухим способом Масса воздуш- но- сухого грунта mv, г Масса расти- тельных остатков Ш0ш, Г Измерение гигроскопической влажности, г К ms, г U % масса пустой бюксы Шб, г масса бюксы с влажным грунтом ШОП.; Г масса бюксы с сухим фунтом Itlr. г влаж- ность фунта W,% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Определяют массу сухого грунта то-ту-К, г, (26.2) где ту- масса навески грунта в воздушно-сухом состоянии, г. Количество растительных остатков в процентах вычисляют по формуле — - 1 0 0 , (26.3) ms где т о т - масса сухих растительных остатков, г. 2. Выделение растительных остатков мокрым способом. Для ускорения процесса удаления растительных остатков из грунта и при больших количествах этих остатков следует применять отмучи- вание их в водопроводной воде по следующей методике. Взвешивают чистую пустую фарфоровую чашку. Пробу, ото- бранную по методике, изложенной в пункте 1, массой приблизи- тельно в 25 г высыпают в чашку и взвешивают. Одновременно от- бирают навеску для определения гигроскопической влажности Грунт в чашке смачивают, растирают пестиком с резиновым нако- нечником так, чтобы не повредить растительные остатки, заливают водой и тщательно перемешивают. Полученную суспензию сливают вместе с глинистыми частицами через сито с сеткой № 1 в течение 5...8 с в большую фарфоровую чашку, следя, чтобы на сито не по- 178 пал песок. Операция повторяется до полной отмывки песка в чашке. Растительные остатки на сите отмывают от глинистых частиц и пе- реносят во взвешенную чашку. Глинистые частицы в большой фар- форовой чашке, прошедшие сквозь сито с сеткой № 1, взбалтывают и выливают через сито с сеткой № 0,25 в другую чашку. Раститель- ные остатки, оставшиеся на ситах с сетками № 1 и № 0,25, соеди- няют в одной чашке, которую помещают на песчаную баню, где происходит выпаривание воды. Выделенные песчаные, глинистые частицы и растительные остатки высушивают в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 100... 105°С и взвешивают с погрешностью не более 0,01 г. Результаты испытаний заносят в табл. 26.2. Т а б л и ц а 26.2 Результаты определения содержания растительных остатков мокрым способом Результаты взвеши- вания воздушно- сухого грунта Гиг- рос- Мас- са Масса высушенных компонентов, г масса масса масса копи- сухо- расти- % фар- чашки на- ческая К го тель- пес- гли- сухого грунта mS2, г форо- с грун- вески влаж- грун- ных ка ны вой том грун- ность та остат- тп , тг , чашки шФГ, г та Wr, % nisi, г ков г г Шф, г mv, г Шош, Г 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Массу навески грунта в воздушно-сухом состоянии вычисляют, исходя из массы пустой фарфоровой чашки и чашки с грунтом, по формуле mv= т Ф Г - Шф, г, (26.4) где гпфг - масса чашки с грунтом, г; Шф - масса чашки, г. Гигроскопическую влажность вычисляют по формуле (13.1) на основании данных из в табл. 26.2. 179 Коэффициент пересчета грунта в воздушно-сухом состоянии на сухой грунт вычисляют по формуле (26.1). Массу сухого грунта mSi определяют по формуле (26.2). Масса того же сухого грунта, определенная на основании высу- шенных компонентов, mS2 может быть получена из выражения ms2 = тп + тг, г, (26.5) где тп - масса сухого песка, г; тг - масса сухой глины, г. Разница между msi и т$2 не должна составлять более 5%. Количество растительных остатков вычисляют по формуле (26.3). Задание 1. Определить количество растительных остатков сухим способом. 2. Определить количество растительных остатков мокрым спо- собом. 3. Оценить содержание растительных остатков в грунте в соот- в'^ тствии с СТБ 943-93. Вопросы для самопроверки 1. Какие методы применяются для определения гумуса в грун- тах, содержащих его более и менее 10%? 2. Чем отличается мокрый способ определения растительных ос- татков от сухого? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 27 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ОБЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА Цель работы: 1. Изучение деформационных свойств грунтов. 2. Ознакомление с устройством рычажного пресса. 3. Определение модуля деформации методом испытания грунта штампом. 180 Аппаратура: Сито с диаметром отверстий 2 мм, стеклянный стакан, шпатель, лабораторный нож, технические весы, разновесы, сушильный шкаф, индикаторы, гири, бюксы, рычажный пресс. 27.1. Механические свойства горных пород Механическими называются такие свойства горных пород, кото- рые определяют их поведение под воздействием внешних усилий и проявляются в сопротивлении разрушению и деформированию. Свойство горных пород воспринимать в определенных пределах и условиях нагрузки, не разрушаясь, называется прочностью. Изменение формы сложения и объема горных пород под нагруз- кой называется деформацией. Деформация может изменяться по абсолютной и относительной величине, быть обратимой либо необратимой, развиваться мгновен- но или медленно во времени. Поэтому при оценке механических свойств горных пород необходимо исследовать определенные зави- симости, характеризующие закономерности возникновения дефор- маций и изменения прочности. Скальные породы обладают упругими свойствами, полускальные - частично упругими. Рыхлым обломочным несвязным и глинистым грунтам не свойственны большие величины упругости. Основными показателями деформационных свойств горных по- род являются: модуль упругости, модуль деформации, коэффициент сжимаемости. Для скальных, полускальных и связных глинистых уплотненных пород основными показателями прочности являются сопротивление сжатию, скалыванию и растяжению, для мягких связных и рыхлых несвязных пород - показатели сопротивления сдвигу - угол внут- реннего трения, коэффициент внутреннего трения, сцепление. Основные механические свойства представлены в табл. 27.1. 181 Т а б л и ц а 30.1 Основные характеристики механических свойств горных пород № лаб. ра- боты Показатели Условное обозначе- ние Зависимость Еди- ница изме- рения 27 Закон Гука а а = Е-е0 МПа 28 Модуль деформации Ео «0 МПа 1 27 7 АР Efd -V2)Kx-D~ МПа | 27 Относительная деформация е0 Ah е о = ~ Г h безраз- мерная ! 27 Удельная нагрузка р п _ ю-Q 10-F МПа | 28 Модуль упругости Б, J ry „ nPD(\- V2) Ь ' 4 £y МПа 1 29 Модуль осадки еР ep = 1000 e0 мм/м j 29 Коэффициент уплотнения а p. . - p. £i+1 li 29 Степень консолида-ции К K - p 100 AKnu % j 30 Сопротивление сдвигу г r=(Jtg

4d; h>3d, где D - диаметр образца; d - диаметр штампа; h - высота образца. Соблюдение этих соотношений необходимо для того, чтобы стенки емкости, в которую помещается грунт без жестких струк- турных связей, не оказывали влияние на его дсцЮрмнрусмость. Пе- ред началом проведения опыта емкость измеряют с точностью до 1 мм и определяют ее внутренний объем. Пробу грунта, находящегося в воздушно-сухом состоянии, рас- пределяют тонким слоем на горизонтальной поверхности, делят на 185 квадраты и методом вычерпывания отбирают среднюю пробу об- щей массой 1500 г. Последнюю пропускают через сито с отвер- стиями 2 мм, отбирая песчаную, пылеватую и глинистую фракции. В опыте не рекомендуется применять частицы крупнее 2 мм, чтобы они не оказывали отрицательного влияния на равномерный процесс погружения штампа прибора. Из поддона сита отбирают навеску грунта массой 1000 г и помещают ее в отдельную емкость. Отобранную навеску увлажняют водой с учетом данных, приве- денных в табл. 16.1, в количестве 8% от массы грунта, тщательно перемешивают до однородного состояния. Емкость, имеющую соотношения между габаритными размера- ми, указанные выше, взвешивают с точностью до 0,01 г и заполня- ют подготовленным грунтом в три приема, производя после каждо- го заполнения уплотнение с помощью ударника Союздорнии, Ударник прибора опирается на круглый металлический диск диа- метром, равным внутреннему диаметру емкости. Число ударов для песчаного грунта -12, супесчаного - 15, суглинков и глин - 25. Пе- ред укладкой следующего слоя предыдущий слой грунта разрыхля- ют с помощью лабораторного ножа на глубину 1... 2 мм, заполняют емкость до верхней кромки, излишек грунта срезают кожем. по- верхность образца заглаживают. Одновременно отбирают навеску грунта массой 10... 15 г для определения влажности грунта весовым способом. Результаты измерений заносят в табл. 13.1. Емкость, за- полненную грунтом, взвешивают. Результаты измерений заносят в табл. 14.2. Определяют: плотность грунта - по выражению (14.1); влажность грунта - по выражению (13.1); плотность сухого грунта - по выражению (14.4). Емкость с грунтом устанавливают на столик 2 рычажного прес- са. На грунт устанавливают штамп, на который укладывают шарик, и опускают шток рычажного пресса. Уравновешивают массу ры- чажной системы так, чтобы до начала проведения опыта на штамп нагрузка не передавалась. Закрепляют на столике прибора крон- штейны, в которые вставляют индикаторы часового типа. Послед- ние приводят в соприкосновение с пластиной штампа, В таком виде прибор подготовлен к проведению испытания. Индикаторы устанавливают на нулевые деления и записывают показания в табл. 27.2. 186 Т а б л и ц а 27.2 Результаты определения модуля деформации грунта Вре- мя от- счета Показания индикато- ров Зна- чение коэф- фи- циен- та Пуас- сона V Приращение давления на штамп, МПа Прираще- ние осадки штампа, см Мо-дуль де- фор- ма- ции Е, МПа На- груз- ка на пресс 4 кг Пло- щадь штам- па F, см2 Удель- ное давле- ние Р, МПа по инди- ка- тору t," мин ле во го S „ «Г | и i с? | а я? 1 1 К Ч f | конечн ое S* S9 1 0,05 5 10 0,10 5 !0 0,15 5 10 5 10 0,25 5 10 Учитывая, что соотношение плеч рычажного пресса равно 1:10, удельную нагрузку, передаваемую прессом на образец, рассчиты- вают по формуле p = 1 0 J ? j ^ k 4 ) 10-F где Р - удельная нагрузка на образец, МПа; О - нагрузка, приложенная на подвеску рычага, кГ; F - площадь образца, см2; 10 в числителе - передаточное число системы рычагов; 10 в знаменателе - перевод кГ/см2 в МПа. В соответствии с ГОСТ 20276-85 ступень давления для песчаных грунтов средней плотности и пылевато-глинистых грунтов при ко- эффициенте пористости 0,8 < е < 1,1 составляет 0,05 МПа. Поэтому 187 прикладывают нагрузку ступенями через 0,05 МПа. Общее количе- ство ступеней давления должно быть не менее четырех. Каждую ступень выдерживают до условной стабилизации грунта. За крите- рий условной стабилизации деформации принимается скорость осадки штампа, не превышающая 0,1 мм за 0,5 ч для песчаных грунтов и 1 ч - для пылевато-глинистых. Таким образом, к рычажной системе ступенями через каждые 10 мин прикладывают нагрузку: 350 г, 700 г, 1050 г, 1400 г, 1750 г. По- казания индикаторов снимают для каждой ступени через 5 и 10 мин с начала нагружения. Расхождение величины деформаций для ин- дикаторов допускается в пределах 15...20%. Результаты измерений заносят в табл. 27.2. Для вычисления модуля деформации строим график зависимости осадки от давления S =f(P), откладывая по оси абсцисс значения Р, а по оси ординат - соответствующие им условно-стабилизирован- ные значения S (рис. 27.3), в масштабе: по горизонтали: 40 мм - 0,1 МПа давления Р; по вертикали: 10 мм - 1 мм осадки штампа S. р П С ЛЛТТо Г0 I fa * . S, мм Рис. 27.3. Образец графического оформления результатов испытания грунтов штампом: ' — линейная часть графика; 2 — осрсдняющая прямая Через нанесенные на график опытные точки необходимо провес- ти осредняющую прямую графическим методом. За начальные значения Р0 и S0 (координаты первой точки, вклю- чаемой в осреднение) принимаем давление, соответствующее пер- 188 вой ступени нагружения, и соответствующую ей осадку; за конеч- ное значение Р„а S„ - значения, соответствующие последней точке пересечения опытной кривой и осредненной прямой. Модуль деформации грунта вычисляют для линейного участка графика S =f(P) по формуле E„=(l-v2)KrD^, МПа, (27.5) дS где V— коэффициент Пуассона, принимаемый: 0,27 - для крупнообло- мочных грунтов; 0,3 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; К< - коэффициент, принимаемый 0,79 для жесткого круглого штампа; D - диаметр штампа, см; АР - приращение давления на штамп, л п — v п \,mu ~ 2 И - -I 0 , iVi i л » , AS - приращение осадки штампа, соответствующее АР, см, опре- деляемое на осредняющей прямой. AS = S„ - So, см. При обработке результатов испытаний модуль деформации вы- числяют с точностью до 0,1 МПа. Задание 1. Определить модуль деформации грунта на рычажном прессе. 2. Определить плотность и влажность грунта. 3. Построить график зависимости осадка от давления. Вопросы для самопроверки 1. Сформулируйте закон Гука. 2. Что собой представляет коэффициент Пуассона? 3. Как определяется удельное давление на грунт в рычажном прессе? 189 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ГРУНТА Цель работы: 1. Изучение показателей, характеризующих упругие свойства грунта. 2. Определение модуля упругости грунта. Аппаратура: Сито с диаметром отверстий 2 мм, стеклянный стакан, шпатель, лабораторный нож, фарфоровая чашка, балансирный конус А.М.Васильева, рычажный пресс, индикаторы, сушильный шкаф, бюксы, гири. 28.1. Показатель, характеризующий упругие свойства грунта Если деформация грунта связана со сжатием в результате выжи- мания воды, сжатием защемленных частиц, деформациями пленок связанной воды, грунт после нее частично восстанавливается, Если подвергнуть сжатию образец (рис. 28.1 а), то вначале под действием нагрузки он максимально сжимается, а при снятии ее частично вос- станавливает первоначальные размеры. Компрессионная кривая состоит из ветви сжатия (нагрузки) и ветви расширения (разгрузки, или декомпрессии) (рис. 28.1 б). Таким образом, модуль деформации связывает напряжение и полную деформацию, а модуль упругости - напряжение и упругую деформацию. Модуль упругости Еу равен отношению напряжения а при одно- осном сжатии к относительной упругой деформации: Е у = — , МПа, (28.1) где еу - относительная упругая деформация (включающая только уп- ругую деформацию), определяемая из выражения 1 пп 1 71/ Jl (28.2) где Ahy - абсолютная упругая деформация, мм (рис. 28.1 а); h - первоначальная высота образца, мм. Рис, 28.1. Виды деформации: а - деформация образца во время нагружения и после снятия нагрузки; б - зависимость коэффициента пористости от давления <• ~ f>*Р) Модуль упругости используется при расчете деформаций от кратковременных динамических нагрузок (воздействия колеса ав- томобиля на земляное полотно или дорожную одежду). Современ- ные методы определения толщины дорожных одежд предусматри- вают полное восстановление их прогибов после проезда колеса ав- томобиля, поэтому расчеты ведут исходя из модуля упругости. Из формул (27.1) и (28.1) видно, что Еу > Е0, т.к. е0 > еу. Модуль упругости является более стабильной характеристикой деформационных свойств грунтов, чем модуль деформации. Он сравнительно мало зависит от степени первоначального уплотнения грунта и практически мало меняется с изменением величины дейст- вующей нагрузки. Модуль упругости составляет: для песка гравелистого, крупного - 130 МПа; средней крупности - 120 МПа; мелкого - 100 МПа; 191 пылеватого - 75 МПа; супеси легкой крупной - 65 МПа; легкой - 49 МПа; пылеватой, тяжелой пылеватой - 46 МПа; суглинка легкого и тяжелого - 41 МПа. Для гравия и обычных грунтов отношение модуля упругости к модулю деформации составляет 3...3,5. С увеличением влажности прочность грунтов быстро уменьшается, поэтому расчетное значе- ние модуля упругости определяют при влажности грунта, соответ- ствующей периоду весенней распутицы (WHcn = 0,7 WL, где WL - влажность, соответствующая границе текучести). Для определения модуля упругости применяют рычажной пресс, конструкция которого описана в лаб. раб. № 27. 28.2. Определение модуля упругости грунта Дтя проведения испытаний выбирают емкость с таким же соот- ношением диаметра и высоты, так при проведении опыта по опре- делению модуля деформации грунта (лаб. раб. № 27). Подготовка грунта включает: 1) высушивание грунта до воздушно-сухого состояния; 2) просеивание через сито с отверстиями 2 мм; 3) отбор навески грунта массой 1000 г и взвешивание с точно- стью до 1 г; 4) снятие размеров емкости с точностью до 1 мм и вычисление ее объема; 5) взвешивание емкости с точностью до I г. Из отобранной навески берут 100 г грунта и помещают в фарфоро- вую чайку, где его увлажняют и по методике, изложенной в лаб. раб, № 20, с помощью балансирного конуса А.М.Васильева определяют влажность, соответствующую границе текучести. Результаты испы- таний заносят в табл. 20.1. Параллельно с определением влажности на границе текучести определяют гигроскопическую влажность воздушно-сухого грунте по методике, изложенной в лаб. раб. № 13, Результаты, испытаний заносят в табл. 13.1. 192 На основании проведенных испытаний определяют количество воды, необходимое для увлажнения воздушно-сухого грунта и до- ведения его до состояния, соответствующего периоду весенней рас- путицы (W„cn = 0,7 WL), по формуле w Pwa+wg) где Шг - оставшаяся масса грунта после отбора породы для определе- ния гигроскопической влажности и влажности, соответствующей гра- нице текучести; WL - влажность, соответствующая границе текучести, доли еди- ницы; Ws- гигроскопическая влажность, доли единицы; Pw - плотность воды, равная 1 г/см3. Увлажняют грунт водой в количестве Qw, тщательно перемеши- вают и заполняют в три этапа емкость, каждый раз проводя уплот- нение грунта. Заполнение проводят до верхней кромки емкости, излишек срезают ножом, поверхность заглаживают. После увлажнения груша отбирают навеску массой 15...20 г и ве- совым методом определяют влажность грунта (по методике лаб. раб. № 13). Результаты измерений заносят в табл. 13.1. Емкость с грунтом взвешивают, результаты измерений заносят в табл. 14.2. Определяют; плотность грунта - из выражения (14.1); влажность грунта - из выражения (13.1); плотность сухого грунта - из выражения (14.4). Емкость с подготовленным грунтом помещают на столик ры- чажного пресса, устанавливают штамп, балансируют рычажную систему, подсоединяют индикаторы и устанавливают их на нулевые отметки. Ступени нагружения принимают те же, что при определении мо- дуля деформации: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25 МПа, что для штампа с выбранными размерами будет соответствовать прикладываемой нагрузке в 350, 700,1050, 1400, 1750 г. Дальнейшие действия производят в следующей последователь- ности: 193 1) прикладывают нагрузку 0,05 МПа и снимают показания инди- каторов через 0,5 мин от момента приложения до 3,5 мин (фаза на- гружения); расхождения величин деформации для индикаторов до- пускают в пределах 15... 20%; 2) через 3,5 мин от начала приложения нагрузки груз убирают и снимают показания индикаторов через 0,5 мин до 5 мин от начала проведения опыта (фаза восстановления); 3) через 5 мин от начала проведения опыта прикладывают сле- дующую ступень нагрузки - 0,10 МПа - и опыт повторяют при тех же режимах, что и для первой ступени; 4) вторую, третью, четвертую и пятую ступени прикладывают при тех же режимах нагружения и восстановления. Результаты испытания заносят в табл. 28.1. Следует внимательно заполнять эту таблицу. Деформации, сни- маемые при времени отсчета от 0,0 до 3,5 мин, необходимо вносить в фазу нагружения, а от 4,0 до 5,0 мин - в фазу восстановления. Для связных грунтов с высокой влажностью можно проводить опыт с пригрузкой вокруг штампа. Слабосвязные зернистые материалы (пески всех видов, крупные супеси) в лаборатории рекомендуется испытывать штампами диа- метром 25... 35 мм. Во избежание больших погрешностей не следует при испытании доводить нагрузку до величин, при которых в массиве получают значительное развитие пластические смещения. На основании показаний индикаторов строят график зависимости величин деформаций от времени снятия показаний S =f(t) (рис. 28.2). Рис. 28.2. График деформации образцов 194 Упругую деформацию определяют из графика, изображенного на рис. 28.2, или по табл. 28.1, отнимая от среднего значения вели- чины деформации, полученной при 3,5 мин, среднюю величину, полученную при 5 мин. Упругую деформацию определяют для ка- ждой ступени нагружения. На основании полученных значений строят график зависимости величины упругой деформации от удельного давления iy = f(P) (рис. 28.3). Рис. 28.3 График зависимости упругой деформации от удельного давления Значение модуля упругости для каждой ступени нагружения оп- ределяют по формуле „ Я PD( \-v2) ЬУ = 4 7 J — ^ МПа. (28.4) где — - поправочный коэффициент при испытании жестким штам- 4 пом; Р - удельная нагрузка, определяемая из выражения (27.4); D - диаметр жесткого штампа, см; v - коэффициент Пуассона, имеет те же значения, что и в фор- муле (27.5); 1У- абсолютная упругая деформация, определяемая из графика 28.2 или из табл. 28.1. После определения модуля упругости для каждой ступени на- гружения вычисляем среднее значение для данного образца. 195 Т а б л и ц а 30.1 Результаты определения модуля упругости грунта Вре- мя от- Огсчегы по индикато- рам, мм Упру- гая де- фор- ма- ция, мм Плот- ность сухо- го фун- та pd, г/см3 Мо- дуль упру- гости Еу, МПа На- груз- Удель- ное счета по фаза на- гружения фаза вос- становления Плот- ность грун- та р, г/см3 Влаж- ность грун- та W, % ка на прес- се Q, кг давле- ние на грунт Р, МПа инди- като- рам t, мин S о в £ о Б* сл "й й СГ < и 8 о гч от 2 ся 1 0.0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 < м 0,0 o's 1,0 i j 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Задание 1. Провести подготовку грунта к проведению опыта по опреде- лению модуля упругости 2. Рассчитать количество воды, необходимое для увлажнения воздушно-сухого грунта. 3. Определить деформации грунта на стадиях нагружения и вос- становления. 196 4. Построить график зависимости величины деформаций от вре- мени. 5. Построить график зависимости величины упругой деформа- ции от удельного давления. 6. Определить модуль упругости для каждой ступени нагружения. Вопросы для самопроверки 1. В каких расчетах должен применяться модуль упругости? 2, В чем различие при определении модуля упругости и модуля деформации? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 29 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПРЕССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ Цель работы: 1. Изучение показателей, характеризующих компрессионные свойства грунтов. 2. Ознакомление с компрессионным прибором КПр-1. 3. Определение модуля осадки и деформации предложенного грунта. Аппаратура: Прибор КПр - 1, бюксы, сушильный шкаф, балансирный конус А.М.Васильева, пикнометр, предметное кольцо, технические весы, шпатель, сито с отверстиями 2 мм. 29.1. Показатели компрессионных свойств грунта Зависимость между влажностью и давлением можно изобразить в виде графика, который носит название компрессионной кривой. Он характеризует сжимаемость грунтов в условиях невозможности бо- кового расширения. Так как для полностью водонасьпценных грун- тов существует закономерная связь между влажностью и коэффици- 197 ентом пористости, то обычно компрессионная кривая выражает зави- симость между коэффициентом пористости и давлением на грунт (рис. 28.1 б). Как видно из графика, эта кривая состоит из двух ветвей: ветви сжатая (нагрузки) и ветви расширения (разгрузки). Компрессионную кривую обычно выражают эмпирическими уравнениями - логарифмической кривой или гиперболой. Логариф- мическое уравнение компрессионной кривой следующее: где е - коэффициент пористости при нагрузке Р, может быть опреде- лен из выражений (15.7) или (15.10); В и С - параметры, значения которых определяют из опыта. При расчете осадок сооружений Н.НМаслов предложил по дан- ным компрессионных испытаний вычислять модуль осадки, харак- теризующий величину осадки в мм слоя грунта мощностью 1 м под данной нагрузкой. Его можно вычислить из выражения где ер - модуль осадки, мм/м; е0 - относительная деформация, определяемая из выражения(27.2), На основании определения модуля осадки строят кривую зави- симости этой величины от давления (рис. 29.1), которая позволяет быстро находить величину осадки изучаемого грунта мощностью 1 м при том или ином давлении. В зависимости от значения модуля осадки грунты могут характеризоваться различной степенью сжи- маемости (табл. 29.1). е = е0--£„(Р + С) , В (29.1) еР = 1 ООО е0, мм/м, (29.2) е • Р Рис. 29.1. Кривая зависимости модуля осадки от давления 198 Т а б л и ц а 30.1 Характеристика сжимаемости дисперсных грунтов Категория грунта по сжимаемости Модуль осадки ер, мм/м Характеристика сжимаемости грунта 0 < 1 практически несжимаемый 1 1...5 слабосжимаемьш 2 5...20 среднесжимаемый 3 20...60 повышенной сжимаемости 4 > 60 сильносжимаемый При действии нагрузки на грунт возникают деформации, проте- кающие во времени, из-за того, что выжимание воды через поры грунта происходит с малой скоростью. Для характеристики скоро- сти деформации грунта строят кривые зависимости этого показате- ля при постоянной нагрузке от продолжительности ее действия - кривые консолидации. Сам процесс уплотнения грунта во времени под постоянной нагрузкой называется консолидацией. Для испытания грунта на сжимаемость применяют одометры ~ приборы, позволяющие получить компрессионную кривую и кри- вую консолидации. Образец грунта помещают в жесткую металли- ческую обойму, сверху и снизу закрывают пористыми пластинками, свободно пропускающими воду, которая выжимается из образца приложенным давлением. Чтобы трение грунта о стенки кольца не играло существенной роли при проведении опыта, необходимо, чтобы диаметр этого кольца был в 4... 5 раз больше его высоты. Для определения показателей компрессионных свойств грунта применяют прибор компрессионный КПр - 1 (рис. 29.2). Прибор КПр - 1 состоит из следующих основных узлов: стола 1, одометра 2, сектора 3, противовеса 4, троса тягового 5, гирь 6, што- ка 7, индикаторов 8, кронштейнов 9. Технические данные прибора: соотношение плеч рычагов 1:10; площадь поперечного сечения образца - 60 см2; высота образца - 2,5 мм; минимальное давление на образец грунта от массы штампа и индикаторов с учетом силы от пружин ножек индикаторов - 0,0018 МПа; давление, вызываемое массой рамки, - 0,0038 МПа. 199 Для создания давления 0,025 МПа на подвеску кладется груз массой 1,26 кг, для создания давления 0,05 МПа добавляется груз массой 1,5 кг Далее ступени нагрузки прикладывают из расчета 6 кг на 0,1 МПа. Перед началом работы необходимо проконтролировать размеры режущего кольца: его высота должна быть равна 25 мм, диаметр - 87,4 мм, площадь поперечного сечения - 60 см2. Кольцо взвешива- ют. Исследуемый грунт просеивают через сито с отверстиями 2 мм и из поддона отбирают среднюю пробу в количестве 500 г. От про- бы отбирают навеску массой 100 г и помещают ее в фарфоровую чашку, С этим грунтом по методике, приведенной в лаб. раб. № 20, определяют границу текучести и границу раскатывания WL и WP. Результаты испытаний закосят в табл. 20.1. По ним определяют влажность грунта, при которой должны быть проведены испытания, из выражения где II - консистенция грунта, принимаемая из расчета 0,5 < IL < 1. Одновременно с определением характерных влажноегей (границы текучести и границы раскатывания) из средней пробы отбирают на- веску массой 15...20 г и по методике, приведенной в лаб, раб. № 13, Рис. 29.2. Прибор компрессионный КПр - I 29.2. Определение модуля осадки грунта Г ~ L,* L, Г f ? ' (293) 200 определяют гигроскопическую влажность грунта Wg. Результаты испытаний заносят в табл. 13.1. Из той же средней пробы берут навеску грунта из расчета 15 г на каждые 100 мл емкости пикнометра и пикнометрическим методом, описанным в лаб. раб. № 15, определяют плотность частиц грунта ps. Результаты измерений заносят в табл. 15.2. На основании найденных значений влажности WMcn и Wg вычис- ляют количество воды, необходимое для добавления к грунту, что- бы его влажность соответствовала влажности проведения испыта- ния, по выражению п тг(0 ,TWm-Wt) з где mg - масса грунта, оставшегося в средней пробе, г, pw - плотность воды, равная 1 г/см3. Мерным цилиндром отмеряют необходимое количество воды, добавляют к грунту и тщательно перемешивают до однородного состояния. На предметном стекле формируют из полученной массы лепеш- ку, в которую вдавливают режущее кольцо; избыток грунта срезают ножом, его поверхность заглаживают. Ветошью тщательно выти- рают частички грунта и промокают капельки воды. Кольцо с влаж- ным грунтом взвешивают, результаты заносят в табл. 29.2. С обеих сторон режущею кольца на грунт укладывают влажные кружочки фильтровальной бумаги. Режущее кольцо с грунтом по- мещают в одометр, установленный на стол КПр-1. Подсоединяют индикаторы, опускают шток на шарик, приводят сектор в горизон- тальное положение, устанавливают индикаторы на нулевые деле- ния. Показания приборов записывают в табл. 29.2. Для создания давления 0,025 МПа на подвеску укладывают груз массой 1,26 кг; для создания давления 0,05 МПа добавляют груз массой 1,5 кг. Для увеличения нагрузки на 0,1 МПа на подвеску ук- ладывают груз массой 6 кг. Показания индикаторов снимают через каждые 2 мин. Через 10 мин прикладывают следующую ступень нагружения, равную 0,25 МПа, и снимают показания индикаторов с той же частотой. Через 20 мин от начала опыта прикладывают по- 201 следнюю ступень, равную 0,35 МПа, и опять снимают показания индикаторов. Результаты измерений заносят в табл. 29.2. Таким образом, испытания проводят при нагрузках 0,025; 0,05; 0,15; 0,25 и 0,35 МПа. После окончания испытаний прибор КПр-1 разбирают в обрат- ной последовательности, извлекают из одометра режущее кольцо с грунтом и взвешивают его. Результат записывают в табл. 29.2. За- тем берут навеску Б 15 г и определяют влажность грунта после ис- пытания. По результатам испытаний производят следующие вычисления. Определяют весовым методом влажность грунта до и после ис- пытаний \¥н и WK: = ioo,%. (29.5) т с - т 6 Определяют плотность грунта до и после испытаний ри и р :^ Мн к • * у где т н л - соответственно масса грунта до и после испытания, г. Определяют плотность сухого грунта до и после испытаний Ран к = — , г/см3. (29.7) н л 1 + 0,01 wHX Определяют плотность частиц грунта из выражения (15.5). Определяют коэффициент пористости грунта до и после испыта- ний ен и ес: — л г л rati,к 0\ еН .к= • (29.8) PdH.K 202 Os fS ев Я я Ц ю rt Ь | I i где Ahcpio - среднее значение деформации образца через 10 мин; A'hcpo - среднее значение деформации образца в начале испыта- ний; h - первоначальная высота образца. По полученным значениям строят график зависимости относи- тельной деформации от давления (рис. 29.3) в масштабе: для давле- ния Р (по горизонтали): 0,025 МПа - 10 мм; для относительной де- формации ео (по вертикали): 0,02 - 10 мм, которое определяют из выражения Р = — • 0,1 МПа, F (29.10) где Q - вес гири, кг; Z - передаточное число прибора; F - площадь образца, см2. р. Р Рис. 29.3. График испытания грунта при сжатии в компрессионном приборе 204 flo этому графику снимают показания относительной деформа- ции, соответствующей для промежуточного давления 0,1; 0,2 МПа, и подставляют в формулу для определения коэффициента пористо- сти, соответствующего этим давлениям: е1=ен~е о(1 + ен)> -(2911) где е, - коэффициент пористости грунта, находящегося под давлением Р (ОД; 0,2 МПа); ен - начальный коэффициент пористости, е0 - относительная деформация, соответствующая давлению Р (0,1; 0,2 МПа). Определяют коэффициент уплотнения из выражения а = е' 6 м , (29.12) PM-Pi где е, и еп , - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям И Pj+i. Определяют модуль деформации грунта по формуле 1 + ^ Е0= L.pf (29.13) а где р - поправка, учитывающая отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе, принимаемая: для пылеватых и мелких песков - 0,8; супесей - 0,7; суглинков - 0,5; глин - 0,4. Определяют модуль осадки из выражения (29.2). Строят график зависимости модуля осадки от давления еР =f(P). Определяют степень консолидации грунта из выражения дй™ НЮ, %, (29.14) Жкоп 205 где Ahcp - среднее значение деформации, соответствующее времени измерения 2,4 и т.д. мин от начала приложения нагрузки; Ah*oH ~ деформация образца через 10 мин после нагружения. Строят график зависимости степени консолидации (по вертика- ли) от времени (по горизонтали), на который наносят три кривых, соответствующих зависимости К =f(t) при Р = 0,1 МПа; р = 0,2 МПа; Р = 0,3 МПа. Задание 1. Определить модуль осадки грунта. 2. Расчетным способом определить модуль деформации грунта. 3. Построить график зависимости степени консолидации от вре- мени. Вопросы для самопроверки 1. Какие показатели характеризуют сжимаемость грунта? 2. Что такое модуль осадки? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 30 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ГРУНТА СДВИГУ Цель работы: 1. Изучение параметров, характеризующих сопротивляемость грунта сдвигу. 2. Определение прочностных характеристик грунта методом не- консолидированного сдвига. 3. Определение сопротивляемости сдвигу схрытопластичных глинистых грунтов. Аппаратура: Прибор П10-С, сито с диаметром отверстий 2 мм, шпатель, стек- лянный стакан, бюксы, сушильный шкаф, весы, разновесы, фильт- ровальная бумага. 206 30.1. Параметры, характеризующие сопротивление грунта сдвигу Под действием внешних сил связи между частицами грунта мо- гут быть разрушены, в результате чего происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других. Воспрепятствование такому смещению оценивается так называемым сопротивлением грунта сдвигу, которое может быть вызвано возникновением сил сцепления или сил внутреннего трения, а в некоторых грунтах - действием как тех, так и других сил. Под силами сцепления понимают сопротивление структурных связей всякому перемещению связываемых ими частиц независимо от величины внешнего давления. Под силами внутреннего трения понимают силы сопротивления, возникающие при относительном движении соприкасающихся друг с другом тел. Смещение частиц друг относительно друга возможно, когда ка- сательные напряжения преодолевают силы сопротивления в точках контактов (рис. 30.1). Рис. 30.1. Сдвигающие и удерживающие силы в контакте грунтовых частиц Действующие напряжения в грунтовых частицах раскладывают- ся на две составляющие: нормальные напряжения а, действующие перпендикулярно к рассматриваемой площадке; касательные напряжения г, действующие в плоскости площадки. Любой массив грунта считается устойчивым, пока сдвигающие напряжения не вызовут в нем смещение частиц, т.е. должно выпол- няться условие г