Файл: С.М. Простов Определение деформационных свойств грунтов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.05.2024
Просмотров: 22
Скачиваний: 0
Министерство образования Российской Федерации
Государственное учреждение Кузбасский государственный технический университет
Кафедра теоретической и геотехнической механики
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Методы и средства геоконтроля” для студентов специальности 070600
“Физические процессы горного производства”
Составители С.М. Простов М.В. Гуцал Е.В. Костюков
Утверждены на заседании кафедры
Протокол № 6 |
от 30.12.02 |
Рекомендованы к печати учебнометодической комиссией специальности 070600
Протокол № 5 |
от 30.12.02 |
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ
Кемерово 2003
1
1.Цель работы – определение деформационных параметров грунтов путем компрессионных испытаний с помощью настольного прибора КПр1.
2.Теоретические положения
Деформационные свойства горных пород и грунтов определяются их способностью деформироваться под воздействием внешней нагрузки.
В данной работе объектом изучения являются грунты. Грунтами называют сложные минерально-дисперсные образования, состоящие из твердых, практически не связанных или частично связанных между собой частиц минералов различной формы и размеров, свободное пространство между которыми заполнено жидкостью или газами. Грунты составляют основную долю оснований зданий и наземных сооружений, насыпей и выемок автомобильных дорог, в составе пород-наносов они подлежат разработке как открытым, так и подземным способами. В частности, при строительстве современных шахт весьма серьезную проблему представляет сооружение устьев вертикальных стволов и проходка наклонных стволов в неустойчивых обводненных глинистых грунтах-плывунах.
Различают грунты естественные и искусственные. Естественные грунты разделяют на несвязные рыхлые (гравий, галечники, щебни, дресва) и мягкие связные (глины, суглинки, супеси, лессовые породы). К искусственным грунтам относят отходы обогатительных фабрик, золы, шлаки.
Деформационные характеристики грунтов определяют при проектировании промышленных и жилых зданий, автомобильных и железных дорог, возведении насыпей, гидротехнических сооружений (плотин, дамб). Ошибки в лабораторных испытаниях грунтов могут привести к нарушению устойчивости данных объектов и значительному экономическому ущербу.
Деформации сжатия грунтов исследуют с помощью полевых и лабораторных компрессионных установок при ступенчатом изменении нагрузки, основным элементом которых является одометр – жесткий цилиндр, обеспечивающий сжатие грунта при отсутствии поперечного расширения. При этом диаметр грунтового образца должен не менее, чем вдвое превышать его толщину, D ≥ 2h0 .
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Основным результатом компрессионных испытаний грунтов явля- |
||||||||||
ется зависимость между деформацией образца ε и напряжением σ . Эту |
||||||||||
зависимость, представленную в графической форме, называют ком- |
||||||||||
прессионной кривой, общий вид которой показан на рис.1. График ε(σ) |
||||||||||
содержит две ветви – уплотнения 1 и разуплотнения 2. |
|
|
|
|
||||||
0 |
σmin |
σmax |
|
σ |
По |
|
|
заданным |
||
|
|
|
|
значениям |
σmax |
и |
σmin |
|||
εmin |
|
|
|
(они |
соответствуют |
весу |
||||
|
|
|
|
возводимого |
сооружения) |
|||||
|
|
1 |
|
можно |
|
определить |
||||
εmax |
|
|
|
деформацию εmax - εmin и |
||||||
|
2 |
|
ожидаемую |
|
|
просадку |
||||
ε |
|
|
грунта. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Основными количест- |
||||||
Рис. 1. Компрессионная кривая |
венными |
|
деформацион- |
|||||||
ными параметрами грунтов |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
являются следующие. |
|
|||||
Коэффициент сжимаемости (в МПа-1) |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
a = |
∆m , |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
∆σ |
|
|
|
|
|
||
где ∆m - изменение пористости образца при приращении давления∆σ . |
||||||||||
Модуль осадки (в мм/м) – величина сжатия слоя породы толщиной |
||||||||||
1м при приложении нагрузки σmax |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
η = εmax 103 . |
|
|
|
|
|
|||
Модуль общей деформации (в МПа) |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
E = |
∆σ |
β , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆m |
|
|
|
|
|
|
|
где β - эмпирический множитель для перехода от условий компресси- |
||||||||||
онных испытаний грунта к реальным деформациям грунтов в массиве с |
||||||||||
учетом бокового расширения (для песка β =0,76, для супесей – 0,72, для |
||||||||||
пульпы –0,65, для суглинков – 0,57, для глин – 0,43), связанный с коэф- |
||||||||||
фициентом поперечного расширения грунта µ следующим уравнением |
β= 1 − 2µ2 .
1− µ
Взависимости от величины коэффициента сжимаемости грунты
относят к следующим категориям [1]: а > 10−1 - сильносжимаемые;
3
10−2 −10−1 - повышенной сжимаемости; 5 10−3 −10−2 - средней сжи-
маемости; 10−3 −5 10−3 - слабосжимаемые; < 10−3 - практически несжимаемые.
3. Содержание работы
3.1.Изучение устройства компрессионного настольного прибора КПр1, методики подготовки образцов грунтов и их компрессионных испытаний (1,5 часа).
3.2.Проведение компрессионных испытаний грунтов различного типа (пески, глины, суглинки, супеси, шлам, шлаки) (1 час).
3.3. Обработка, оформление и анализ результатов испытаний
(1 час).
3.4. Ознакомление с результатами реальных инженерногеологических исследований грунтов (0,5 часа).
Общая продолжительность выполнения работы - 4 часа.
4. Описание устройства компрессионного прибора КПр1
Прибор КПр1 состоит из двух основных узлов: одометра и устройства нагружения.
4.1. Одометр является основным функциональным узлом установки, в котором осуществляется объемное сжатие грунтового образца. Конструкция одометра включает следующие основные элементы (рис.2). Корпус одометра состоит из нижней 1, верхней 5 частей и перфорированного дна 2. Все указанные детали соединяются между собой на резьбе. На перфорированное дно корпуса помещается зажимное кольцо 3 с заключенным в него объемом исследуемого грунта 12, которое фиксируется стяжным кольцом 4. На перфорированном дне 2 имеются кольцевые и радиальные проточки, служащие для подвода воды к нижней кромке грунтовой пробы. Вода подводится резиновой трубочкой через штуцеры, ввернутые в нижнюю часть корпуса 1, а отводится через пробку (штуцеры и пробка на рис.2 не показаны). На грунтовую пробу 12 накладывается штамп 7, который сверху прижимается арретиром 6. К штампу 7 с помощью стойки 8, консоли 9 и стопорного винта 10 присоединяется корпус индикатора 11, толкатель которого упирается в опорную площадку корпуса.
4
5
4.2. Одометр устанавливается на столе 2 устройства нагружения (рис.3), причем корпус одометра фиксируется штифтом, расположенным на столе 2. Траверсы стола 3 имеют опорные винты 1, служащие для установки горизонтального положения стола. Нагружение образца грунта осуществляется грузами, вес которых с помощью троса 4 передается на сектор 5, а от него с помощью тягового троса 7 и натяжного винта 8 – на раму, состоящую из нижнего коромысла 13 и упора 14.
В нерабочем положении сектор 5 фиксируется стопорным пальцем 6, в рабочем он может быть уравновешен противовесом 16, перемещаемом по резьбе на рычаге 15. Давление грузов на штамп одометра передается упором 14, устанавливаемом на шарик 12, помещенный в отверстие штампа.
Минимальное давление на образец грунта от веса штампа, рамки и силы упругости пружин индикаторов составляет σ =0,0054 МПа. Для создания давления 0,025 МПа следует установить на подвеску троса 4 груз массой 1,26 кг, для увеличения давления до 0,05 МПа следует добавить груз массой 1,5 кг.
5. Методика испытания образцов грунтов
5.1.Проверить готовность установки к работе (рис.3): проверить уровнем горизонтальность стола 2, при необходимости отрегулировать положение опорных винтов 1; проверить надежность заправки тросов 4
и7, отсутствие перекручивания и изгибов; уравновесить сектор 5 перемещением противовеса 16 по резьбе рычага 15.
5.2.Зажимное кольцо 3 (рис.2) вдавить в грунт, не допуская перекоса кольца и разрушения грунта. Когда поверхность грунта достигнет верхнего края кольца, на него надо поставить второе аналогичное кольцо и продолжить вдавливание до заполнения последнего на 5-8 мм. Снять верхнее кольцо, срезать ножом грунт по верхнему краю кольца. Зачистить основание образца трехгранной металлической линейкой.
5.3.Закрыть пробу грунта, врезанную в кольцо 3, тонкой фильтровальной бумагой с обоих торцов, поставить зажимное кольцо 3 на перфорированное дно 2, ввернуть верхнюю часть корпуса 5 в нижнюю 1, ввернуть стяжное кольцо 4 таким образом, чтобы оно прижало зажимное кольцо 3 ко дну 2. Вставить штамп 7 и завернуть арретир 6.
6
7
Собранный одометр установить на стол установки так, чтобы штифт на столе вошел в отверстие на нижней части его корпуса 1. Установить консоли 9 и индикаторы 11, используя стопорные винты 10. Установить стрелки индикаторов 10 на отметку 0,00 мм (рис. 2).
5.4. Установить шарик 12 (рис.3) в углубление штампа одометра, а упор 14 вместе с рамой, передающей нагрузку, на шарик. Навернуть маховичок 10 на резьбу нижнего коромысла 9. Вынуть стопорный палец 6 и, вращая маховичок 10, натянуть тяговый трос 7 таким образом, чтобы средний луч сектора 5 занял горизонтальное положение или получил наклон выше горизонта не более чем на 10-15°.
5.5. Подсоединить резиновую трубку к штуцеру одометра, заполнить ее водой из воронки, осторожно вывернуть пробку одометра, дождаться появления из отверстия воды, завернуть пробку. Если при замачивании образца показания индикаторов 11 изменятся, дополнительно довернуть арретир 6 (рис. 2).
5.6. Устанавливают начальное давление на образец σ0 = 0,025 МПа, укладывая на подвеску груз, массой 1,26 кг. Для уве-
личения давления на величину ∆σ = 0,025 МПа необходимо уложить дополнительно груз массой 1,5 кг. После того, как завершится деформация образца, снимают показания индикаторов и определяют их среднее значение (абсолютную деформацию ∆h). Значения σ и ∆h на каждой ступени нагружения заносят в таблицу.
5.7. По окончании испытаний вывернуть пробку одометра, удалить воду, после чего вывернуть арретир 6 и снять с подвеса все грузы. После завершения деформаций восстановления образца (прекращения изменений показаний индикаторов 11 или уменьшения скорости их изменения до 0,03 мм в минуту) снять индикаторы 11, вынуть штамп 7, вывернуть стяжное кольцо 4, верхнюю часть корпуса 5, вынуть зажимное кольцо 3, удалить грунт 12 (рис. 2).
Очистить от грунта, промыть и высушить фильтровальной бумагой все детали одометра.
6. Порядок работы
Для выполнения работы в учебной подгруппе формируется два звена по 4-6 чел. Каждое звено выполняет работу самостоятельно в соответствии с п.3 на отдельной установке. Каждый студент звена представляет индивидуальный отчет (п.9). Преподаватель (лаборант) выдает образцы грунтов для испытаний, техническую документацию, контро-
8
лирует правильность выполнения работы, указывает максимальную нагрузку на образец.
7. Правила техники безопасности
7.1. При укладке грузов на подвеску необходимо следить, чтобы выступ нижнего груза входил в выточку верхнего.
7.2. Запрещается устанавливать грузы пазами в одном направле-
нии.
7.3. После проведения испытаний все грузы следует уложить на специальную вертикальную рейку стола.
8. Обработка результатов
8.1. Результаты испытаний и их обработки заносят в таблицу.
Результаты компрессионных испытаний
Номер |
Масса |
Давле- |
Показания |
Абсо- |
Относ |
Коэф- |
Мо- |
Мо- |
||||
замера |
груза |
ние |
индикаторов, |
лют- |
итель- |
фици- |
дуль |
дуль |
||||
i |
на |
σi , |
мм |
ная де- |
ная де- |
|
ент |
осадки |
общей |
|||
|
подве- |
МПа |
|
|
фор- |
фор- |
сжи- |
ηi , |
дефор- |
|||
|
се |
|
|
|
мация |
мация |
мае- |
мм/м |
мации |
|||
|
M i , |
|
∆h1i |
∆h2i |
|
|
мости |
|
|
|
||
|
|
∆h , |
|
a |
i |
, мм |
|
E |
, |
|||
|
кг |
|
|
|
i |
εi |
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
мм |
|
|
|
|
МПа |
||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет параметров таблицы ведут по следующим формулам:
M i = M Ni ,
где M - масса одного груза, M =1,5 кг (первым устанавливают груз с массой 1,26 кг, уменьшенной с учетом масс штампа одометра и рамки устройства нагружения), Ni - количество устанавливаемых грузов;
σi = 0,305 M i ;
∆hi = 21 (∆h1i + ∆h2i );
εi = ∆hhi , 0
9
где h0 - начальная высота образца, h0 =25 мм;
a |
|
= |
mi−1 −mi |
= |
εi −εi−1 |
(1 + m )≈ |
|
εi −εi−1 |
, |
|||
|
|
|
|
|
||||||||
|
i |
|
σi −σi−1 |
σi −σi−1 |
0 |
σi −σi−1 |
||||||
где m0 - начальная пористость образца (ею |
пренебрегают, так как |
|||||||||||
m0 <<1), mi−1, |
|
mi - пористость образца в предыдущем и текущем заме- |
||||||||||
рах; |
|
|
|
|
|
103 ; |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
ηi = εi |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Ei = |
β |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
ai |
|
|
|
|
где β - эмпирический множитель, принимаемый в зависимости от типа грунта в диапазоне β =0,76-0,43 (см. п.2).
8.2. Из таблицы определяют максимальное значение коэффициента сжимаемости amax = max{ai }, по которому испытанный грунт отно-
сят к одной из категорий сжимаемости (см. п.2).
8.3. По данным таблицы строят в масштабе ветвь уплотнения компрессионной кривой (1 на рис.1).
9. Требования к отчету
Отчет оформляют на отдельном листе (на обеих сторонах) формата А4 с рамкой и малым штампом.
Отчет должен содержать:
-цель работы;
-обработанные результаты испытаний двух образцов различного типа (пп. 8.1-8.3);
-краткий письменный ответ на один из контрольных вопросов по заданию преподавателя.
Контрольные вопросы
1.Какие свойства горных пород называют механическими?
2.Перечислите механические параметры горных пород.
3.Какие горные породы относят к грунтам?
4.Виды грунтов.
5.Цель определения деформационных параметров грунтов.
6.Сущность компрессионных испытаний грунтов.
7.Общий вид компрессионной кривой.
8.Деформационные параметры грунтов.