Метою штучного ущільнення ґрунтів є підвищення їх міцності, зниження водопроникності та висоти капілярного підняття, а також зменшення нерівномірності та прискорення осад. Ущільнення насипних грунтів, що містять у порах воду і повітря, відбувається, в основному, не за рахунок витіснення води, а за рахунок витіснення повітря при зближенні частинок, тому на процес ущільнення впливає вологість грунту. При підвищенні вологості до певної межі щільність ґрунту збільшується за однакової витрати ущільнюючої енергії. При подальшому збільшенні вологості щільність зменшується при витраті такої кількості роботи (див. рис.5).
За показник ступеня ущільнення ґрунту зазвичай приймають густину ґрунту в сухому стані. ρ d.
Мал. 6. Залежність щільності ρ dвід кількості ударів nпри постійній вологості
У лабораторних умовах визначення оптимальної вологості та відповідної їй максимальної щільності здійснюється за допомогою приладу стандартного ущільнення (рис. 7). Таке стандартне ущільнення відповідає вологості та щільності, що отримується при ущільненні ґрунтів котками середньої ваги у виробничих умовах.
Сутність методу стандартного ущільнення полягає у визначенні оптимальної вологості ґрунту w opt, при якій досягається найбільше його ущільнення (максимальне значення щільності ґрунту в сухому вигляді ρ d). У приладі СоюздорНДІ проводиться серія окремих випробувань по пошаровому (в три шари) трамбування грунту з послідовним збільшенням його вологості w, але при постійній кількості ударів (120 ударів, тобто по 40 ударів на кожен із трьох шарів) вантажів, масою 2, 5 кг, що вільно падає з висоти 300мм. Для піщаних і гравійних ґрунтів перше випробування проводиться при вихідній вологості 4%, а наступних випробуваннях вологість послідовно збільшується на 1-2%. Аналогічно для глинистих ґрунтів випробування проводять при вихідній вологості 8% з подальшим збільшенням її на 2-3%.
Мал. 7. Прилад стандартного ущільнення СоюздорНДІ
Випробування ґрунту проводиться в наступному порядку:
- підготовлена проба ґрунту масою 2,5 кг шарами завантажується в циліндр приладу, причому кожен шар ущільнюється 40 ударами вантажу;
При цьому стрижень трамбування утримується у вертикальному положенні (перед укладанням третього шару на циліндр надягається насадка);
- після ущільнення третього шару насадка знімається і частина зразка, що виступає, зрізається врівень з торцем циліндра;
– визначається щільність вологого зразка ґрунту за формулою:
де m 0- Маса зібраного контейнера (циліндр з піддоном та кільцем) г;
m 1- Маса контейнера з ґрунтом, г;
V- Місткість циліндра, см 3;
– розкривається циліндр і з верхньої, середньої та нижньої частин зразка відбирається по одній пробі (масою не менше 30г) для визначення вологості ґрунту (див. роботу 2).
Потім шляхом додавання певної кількості води (див. додаток 2) підвищується вологість ґрунту і проводяться наступні випробування. Випробування слід вважати закінченими тоді, коли з підвищенням вологості проби наступних двох, трьох випробувань на ущільнення відбувається послідовне зменшення значень щільності ущільнених зразків ґрунту.
За отриманими в результаті випробувань значеннями щільності та вологості ущільнених зразків визначається щільність ґрунту в сухому стані:
Будується графік залежності густини сухого ґрунту від вологості (див. рис. 5), знаходяться максимум отриманої залежності та відповідні йому величини максимальної густини сухого ґрунту ( ρ d мах) з точністю 0.01 г/см 3 та оптимальної вологості ( w opt) з точністю 0.1%.
Максимальна щільність, яка отримується при стандартному ущільненні, приймається за вихідну величину при оцінці щільності при штучному ущільненні ґрунтів.
Відношення щільності сухого ґрунту до максимальної густини сухого ґрунту ρ d махназивається коефіцієнтом стандартного ущільнення:
Необхідна мінімальна густина насипу визначається шляхом множення на коефіцієнт До Tab (До Tab = До с), що приймається за СНиП 2.05.02-85 залежно від розташування шару ґрунту по висоті насипу, типу покриття, дорожньо-кліматичної зони та умов насипу.
Визначення оптимальної вологості та максимальної щільності обов'язково при роботах: за впливом насипів; остаточного оздобленняземляного полотна; влаштування дорожніх одягів та ґрунтових подушок в підставах споруд.
У лабораторії викладачем проводиться демонстраційний досвід із ущільнення ґрунту при одному значенні вологості. Для побудови залежності ρ d = f(w)використовується дані таблиці 13.
1. За вказівкою викладача за даними безпосереднього визначення за описаною вище методикою (див. додаток 2) або за заданими у табл. 13 значеннями маси контейнера з ґрунтом m 1 і вологості w для серії з шести дослідів визначити значення густини ґрунту в сухому стані (формула 23); результати записати до журналу (форма 13).
2. Побудувати криву стандартного ущільнення (форма 14).
3. Визначити значення максимальної щільності сухого ґрунту та оптимальної вологості w opt; результати записати до журналу (форма 15).
Таблиця 13
Примітка:
Маса зібраного контейнера m 0=3600 р; ємність циліндра V=1000см 3 .
Мета роботи :
Визначити максимальну щільність ґрунту при його оптимальній вологості
Сутність методу:
Метод полягає у встановленні залежності щільності скелета ґрунту від його вологості при трамбуванні зразків та у визначенні цієї залежності максимальної величини щільності скелета ґрунту ( d макс).
Вологість, при якій досягнуто максимальної щільності скелета грунту, є оптимальною вологістю ( Wопт).
Для встановлення залежності щільності скелета ґрунту від його вологості проводять серію окремих випробувань ґрунту на ущільнення із послідовним збільшенням його вологості. Результати випробувань подають у вигляді графіка. Кількість окремих випробувань для побудови графіка має бути не менше шести, а також достатньою для виявлення максимального значення густини скелета ґрунту.
Випробування ґрунтів здійснюють у приладі «Союздорнії» для стандартного ущільнення ґрунтів шляхом пошарового трамбування ґрунту ударами вантажу масою 2,5кг, що падає з висоти 300мм; при цьому загальна кількість ударів має становити 120.
Проби грунту (зразки порушеного додавання) слід відбирати в природних і штучних оголеннях і гірничих виробках з однорідного на вигляд шару грунту. Маса проби грунту повинна бути не менше 10кг
Обладнання:
прилад Союздорнії для стандартного ущільнення ґрунтів;
ваги з точністю 0.01;
шафа сушильна;
сито з отворами 10мм;
чашки металеві ємністю щонайменше 5л;
циліндри мірні з носиком ємністю 100 і 500мл;
лопаточка кельм;
лінійка металева завдовжки 30см;
штангенциркуль;
бюкси (скляночки).
Рис.4 Схема приладу Союздорнії для стандартного ущільнення ґрунтів.
1піддон; 2рознімний циліндр ємністю 1000см 3 ;
3 - кільце; 4 - насадка; 5-ковадло;
8 -обмежувальне кільце; 9 – затискні гвинти.
Порядок роботи:
Обробити проби ґрунту масою 10кг, виділити та підготувати окремі проби ґрунту масою 2,5кг до випробування.
Заздалегідь підготовлену пробу грунту зволожують до вихідної вологості ( W 3), що приймається рівною 4% для піщаних, гравійних ґрунтів і 8% для глинистих ґрунтів. Необхідної для зволоження проби ґрунту кількість води ( Q) визначають за формулою 4.1
(4.1)
m 3 -масу ґрунту, що залишився від попереднього випробування;
W 1 та W 3 -відповідно вологості, що задаються при попередньому та черговому випробуваннях.
Вводять у проби ґрунту розраховану кількість води і одночасно перемішують ґрунт лопаткою-мастерком.
Випробування ґрунту проводять послідовно з окремими пробами ґрунту. Вологість проби при першому випробуванні повинна дорівнювати вихідної. При кожному наступному випробуванні вологість слід збільшувати на 1-2% для піщаних, гравійних ґрунтів і 2-3% для глинистих ґрунтів. Кількість води для зволоження проби визначають за формулою (4.1.
Кожну окрему пробу слід випробовувати один раз. Ущільнення ґрунту кожної проби має виконуватися шляхом послідовного трамбування трьох шарів.
Підготовлену пробу ґрунту переносять у металеву чашку, а потім шарами, завантажують у циліндр приладу, притискаючи ґрунт трамбуванням. Кожен шар повинен мати висоту 5-6 см і ущільнюватися 40 ударами вантажу, при цьому стрижень трамбування необхідно утримувати у вертикальному положенні.
Перед завантаженням другого та третього шарів поверхню попереднього шару розпушують ножем на глибину 1-2мм. Перед укладанням третього шару на циліндр надягають насадку. Після ущільнення третього шару насадку знімають і зрізають виступаючу частину зразка врівень з торцем циліндра.
Масу контейнера з ґрунтом (m 5) визначають з похибкою до 1 г і розраховують щільність вологого зразка ґрунту () з похибкою до 0,01 г/см 3 за формулою 4.2
де V - ємність циліндра, що дорівнює 1000см 3 ;
Знімають піддон і кільце, розкривають циліндр і витягають зразок ущільнений грунту. З середньої частини зразка відбирають пробу масою не менше 30г для визначення вологості ґрунту (W) (Лабораторна робота №1).
Витягнутий з циліндра грунт приєднують до частини проби, що залишилася в чашці, розтирають, перемішують і зважують.
Потім підвищують вологість проби згідно заздалегідь розрахованої порції води. Після додавання води ґрунт перемішують.
Випробування визначення максимальної щільності скелета грунту слід вважати закінченими тоді, коли з підвищенням вологості проби при наступних двох, трьох випробуваннях на ущільнення відбувається послідовне зменшення значення щільності ущільнених зразків грунту або коли грунт перестає ущільнюватися і починає при ударах вантажу вичавлюватися з приладу.
Результати визначень записують до таблиці 4.
Обробка результатів:
За отриманими в результаті випробувань значеннями щільності та вологості ущільнених зразків визначають щільність скелета ґрунту (d) з похибкою до 0,01 г/см 3 за формулою 4.3
(4.3)
Будують графік залежності щільності скелета від вологості ґрунту, відкладаючи по осі абсцис вологість ущільнених зразків у масштабі 1см-2%, а по осі ординат-щільність скелета ґрунту в масштабі 1см-0,05г/см 3 .
Знаходять максимум отриманої залежності і відповідні йому величини максимальної щільності скелета ґрунту (d) на осі ординат і оптимальної вологості ( Wопт) на осі абсцис. Точність зчитування значень має бути для ( d мах - 0,01 г/см 3 , а для Wопт 0,1%.
Якщо при побудові графіка крива залежності виходить без помітно вираженого піку, що може мати місце для піщаних і гравійних ґрунтів, d махслід приймати досягнуту максимальну щільність скелета ґрунту, а за Wопт -найменше значення вологості, при якій досягається максимальна щільність скелета ґрунту.
Таблиця4 Результати програничної граничної щільності грунту
|
Визначення густини, г/см 3 |
Визначення вологості |
Щільність скелета ущільненого зразка ґрунту d = ___ |
|||||||||
|
щільність ущільненого зразка ґрунту = m 5 – m 4 |
Вологість W, % |
||||||||||
|
контейнера без насадки m 4 |
контейнера без насадки з ущільненим зразком ґрунту m 5 |
ущільненого зразка ґрунту (m 5 – m 4) |
порожнього бюкса |
бюкса з вологою пробою ґрунту m 7 |
бюкса із сухим грунтом m 8 |
W=m 7 –m 8 / m 8 –m 6 | |||||
Рис.4.2 Приклад побудови графіка залежності густини скелета ґрунту від вологості при стандартному ущільненні.
Ущільнення грунтів із яких споруджується з.п., явл-ся однією з найважливіших технічних процесів у результаті досягається розрахункова міцність, стійкість і стабільність дорожньої конструкції загалом у процесі майбутніх експлуатації. Зведення насипів без пошарового ущільнення допускається лише в окремих випадках:
1) у насипах на болотах;
2) у насипах через водозлив;
3) при зведенні насипу методом гідронамиву з дрібних одномірних барханних пісків;
Щільність ґрунту ущільненогоу конструкцію оцінюється коефіцієнтом ущільнення кіт. Є відношенням фактичної щільності грунту насипу до максимальної стандартної при оптимальній вологості (метод стандартного ущільнення)
До у = ρ d /ρ max, ρ d = ρ/(1+0,01W)
Необхідна щільність ґрунтів у насипі може бути досягнута за оптимальної вологості. Найбільша щільність ґрунту може бути досягнута при застосуванні машин і механізмів, що забезпечує максимально допустимий за умовами міцності для даного ґрунту контактний тиск. Для визначення оптимальної товщини шару, що ущільнюється, і кількість проходів по одному сліду слід проводити пробне ущільнення або користуватися емпіричними залежностями керуючись теоретичними передумовами:
1) ґрунтовий масив у насипі являє собою 3-х фазну систему;
2) про ступінь зближення елементів твердої фази для даного ґрунту можна судити тільки за щільністю сухого ґрунту, при ущільненні ґрунту збільшення густини може йти тільки за рахунок видалення газоподібної фази та частково за рахунок віджати рідкої фази;
3) важливим явл-ся питання про необхідну щільність (повинна забезпечувати необхідну опірність грунту впливу напруг від навантажень та погодно-кліматичних факторів);
4) найбільшого поширення набув емпіричний метод призначення необхідної щільності
ρ ск тр =К у ρ ск max
Для визначення максимальної щільності проводять випробування ґрунту в приладі стандартного ущільнення (ґрунт ущільнюється в циліндрі пошарово шляхом тромбування за допомогою вантажу, що падає) В результаті випробувань отримують криву стандартного ущільнення (залежність щільності сухого ґрунту від вологості)
Необхідна мінімальна щільність складання сухого грунту d, г/см 3 , т/м 3 повинна бути такою, щоб грунт насипу при впливі тимчасових поїздних навантажень працював практично в пружній стадії.
Необхідну в земляному полотні для піщаних і глинистих грунтів щільність додавання сухого грунту d визначають за формулою:
де k – мінімальний коефіцієнт ущільнення, для верхньої та нижньої частин, див. табл.5.4 стр.297 ;
Максимальна щільність сухого ґрунту, т/м 3 .
Таким чином:
Щільність ґрунту насипу з урахуванням вологості визначається за формулою:
де: - Оптимальна вологість.
Питома вага ґрунту насипу визначається за формулою:
Захисний шар – шар дрінуючого ґрунту, який повинен мати відповідний коефіцієнт ущільнення та товщину таку, щоб під ним не виникали пластичні деформації. Захисний шар укладається під основний майданчик для запобігання пученню.
Відповідно до СТН Ц-01-95 товщина захисного верхнього шару h защ для насипу, відсипаним супессю становить 0,5-0,7 м. До розрахунку прийнята величина h защ =0,5 м. Захисний шар відсипається з піщано-гравійної суміші з параметрами : с = 1 кПа; φ=33º.
Максимальна щільність (стандартна щільність)- найбільша щільність сухого ґрунту, яка досягається при випробуванні ґрунту методом стандартного ущільнення.
Оптимальна вологість - значення вологості ґрунту, що відповідає максимальній щільності сухого ґрунту.
густина - фізична властивість грунтів, що кількісно оцінюється величиною відношення їх маси до об'єму, що займає. Фізичні властивості, що характеризують взаємозв'язок між масою та обсягами гірських порід або мінералів, називаються густинними.Щільність використовується як прямий розрахунковий показник при обчисленні побутового тиску, тиску на підпірну стінку, при розрахунку стійкості зсувних схилів і укосів, опади споруд, розподілу напруги в ґрунтах основи під фундаментами, при визначенні об'єму земляних робітта ін.
При інженерно-геологічних дослідженнях використовують такі характеристики: щільність твердих частинок ґрунту, щільність ґрунту, щільність сухого ґрунту, густина ґрунту під водою, щільність скелета висушеного ґрунту та ін.Найбільш уживаними є перші гри показника.
Щільність ґрунту р , г/см 3 кг/м 3 абощільність вологого ґрунту - це маса одиниці об'єму ґрунту з природною вологістю та непорушений додаванням:
Для визначення щільності ґрунтів застосовують прямі та непряміметоди. До прямих відносяться методи, засновані на безпосередньому вимірі маси та обсягу ґрунту, як правило, невеликих його зразків. Методи визначення щільності в лабораторних умовах, згідно з діючими нормативним документам, наведені у табл. 4.5. Їх недоліком є малий обсяг ґрунту у вимірюваних пробах (отримання "точкових" значень) та необхідність їх вилучення з масиву. Непрямі методи засновані на визначенні щільності ґрунту без безпосередніх вимірів маси та обсягу ґрунтів. До них насамперед слід віднести пенетраційні та ядерні (гамма-променеві) методи, що дозволяють визначити щільність ґрунтів безпосередньо в масиві. Вони дуже продуктивні, мають достатню для практичних цілей точність і можуть застосовуватися при одноразових та багаторазових визначеннях, що важливо при стаціонарних спостереженнях.
Таблиця 4.5
Методи визначення характеристик густини ґрунтів
|
Характеристика |
Метод визначення |
Грунти (область застосування методу) |
|
густина |
Ріжучим кільцем |
Легко піддаються вирізці або не зберігають свою форму без кільця, сипучемерзлі та з масивною кріогенною текстурою |
|
Зважування у волі парафінованих зразків |
Пилувато-глинисті немерзлі, схильні до кришення або вирізці, що важко піддаються. |
|
|
Зважування у нейтральній рідині |
||
|
Об'ємні методи |
Мерзлі, скельні та великоуламкові ґрунти |
|
|
Гамма-променеві методи |
Усі ґрунти |
|
|
Щільність сухого ґрунту |
Розрахунковий |
Усі ґрунти |
|
Щільність частинок ґрунту |
Пікнометричний з водою |
Всі ґрунти, окрім засолених та набухають |
|
Те саме. з нейтральною рідиною |
Засолені та набряклі |
|
|
Метод двох пікнометрів |
Засолені |
|
|
Максимальна густина |
Пошарове трамбування ґрунту |
Піски, глинисті ґрунти, великоуламкові (тільки гравійні) ґрунти |
Визначення щільності методом ріжучого кільця . При застосуванні методу ріжучою кільця вибирають ріжуче кільце-пробовідбірник, яке змащують внутрішньої сторони тонким шаром вазеліну або консистентного мастила. Верхню зачищену площину зразка ґрунту вирівнюють, зрізуючи надлишки ножем, встановлюють на ній ріжучий край кільця і гвинтовим пресом або вручну через насадку злегка вдавлюють кільце в ґрунт, фіксуючи межу зразка для випробувань. Потім грунт зовні кільця обрізають на глибину 5... 10 мм нижче за ріжучий край кільця, формуючи стовпчик діаметром на 1...2 мм більше зовнішнього діаметра кільця. Періодично, але мірою зрізання ґрунту, легким натиском преса або насадки насаджують кільце на стовпчик ґрунту, не допускаючи перекосів. Після заповнення кільця ґрунт підрізають на 8...10 мм нижче ріжучого краю кільця і відокремлюють його. Грунт, що виступає за краї кільця, зрізають ножем, зачищають поверхню ґрунту врівень з краями кільця і закривають торці пластинками. Кільце з ґрунтом та пластинками зважують і розраховують щільність з точністю 0,01 г/см 3 .
Метод визначення густини ґрунту зважуванням у воді парафінованих зразків використовується визначення обсягу невеликих монолітів в лабораторних умовах. Зразок ґрунту вирізається об'ємом не менше 50 см 3 йому надається округла форма, після чого його обв'язують тонкою міцною ниткою з вільним кінцем довжиною 15...20 см, що має петлю для підвішування до серги ваг.
Обв'язаний ниткою зразок ґрунту зважують і покривають парафіновою оболонкою, занурюючи його на 2...3 секунди нагрітий до температури 57...60 °З парафін. При цьому бульбашки повітря, виявлені в застиглій парафіновій оболонці, видаляють, проколюючи їх та загладжуючи місця проколів нагрітою голкою. Цю операцію повторюють до утворення щільної парафінової оболонки.
Щоб уникнути розтріскування парафінової оболонки, парафін повинен накладатися як тільки він розплавиться. Парафінування зразка має проводитися дуже обережно. Поглиблення в поверхні, включаючи западини від каменів, що випали, повинні покриватися розплавленим парафіном за допомогою кисті.
Коли зразок поміщений у воду, необхідно уважно стежити, щоб бульбашки під ними не затримувалися. Охолоджений запарафінований зразок зважують перед зануренням у воду, а потім у посудині з водою. Для цього над чашею ваг встановлюють підставку для посудини з водою так, щоб виключити її торкання чаші ваг (або знімають підвіс, врівноваживши ваги додатковим вантажем). До коромисла підвішують зразок та опускають у посудину з водою. Об'єм посудини та довжина нитки повинні забезпечити повне занурення зразка у воду. При цьому зразок не повинен торкатися дна та стінок судини. Коли зразок поміщений у воду, слід уважно стежити, щоб повітряні бульбашки не затримувалися під зразком.
Допускається застосовувати метод зворотного зважування: на чашу циферблатних терезів встановлюють посудину з водою і зважують її. Потім рідина занурюють зразок, підвішений до штатива, і знову зважують посудину з водою і зануреним в неї зразком. Ваги повинні підтримуватись підставкою або платформою над контейнером так, щоб була достатня вільна відстань між підставкою та верхом контейнера (рис. 4.8). Для визначення щільності можуть застосовуватися денситометри. Контейнер повинен бути заповнений водою майже до верху, а зразок, що випробовується, повністю занурюватися у воду, щоб підвіска знаходилася у воді, не торкаючись ні дна, ні стінок контейнера.
Мал. 4.8. Метод визначення густини зважуванням у воді
Зважений зразок виймають із води, промокають фільтрувальним папером і зважують для перевірки герметичності оболонки. Якщо маса зразка збільшилася більш ніж на 0,02 г у порівнянні з первісною, зразок слід забракувати та повторити випробування з іншим зразком.
Щільність ґрунту р, г/см 3 обчислюють за формулою
де m- маса зразка ґрунту до парафінування, г; m- маса парафінованого зразка ґрунту, г; m2- результат зважування зразка у воді (різниця мас парафінованого зразка та витісненої ним води), г; р р- густина парафіну, що приймається рівною 0,900 г/см, p w -густина води при температурі випробувань, г/см 3 .
При застосуванні методу зворотного зважування щільність ґрунту обчислюють за формулою
де m -маса зразка ґрунту до парафінування, г, р р- щільність парафіну, яка приймається рівною 0,900 г/см 3 ; p w- щільність води при температурі випробувань, г/см 3 ту -маса судини з водою, г; пі- маса судини з водою та зануреним до неї парафінованим зразком, р.
Для щільних скельних та напівскельних ґрунтів, пористість яких становить частки відсотка або 1...2 %, об'ємну вагу можна визначати без парафінування.
Метод витіснення рідини . Металевий контейнер повинен бути встановлений на підставі та наповнений водою до рівня, вищого, ніж рівень, що підтримується сифоном. Приймач для витісненої води встановлюється нижче вихідного кінця сифона.
Зразок ґрунту та приймач повинні бути зважені з точністю до 0,1 г. Усі поверхневі порожнечі повинні бути заповнені нерозчинним у рідині матеріалом. Впадини від каменів, що випали, не повинні заповнюватися. Якщо необхідно, зразок може бути повністю покритий повторним зануренням розплавлений парафін. Запарафінований зразок потрібно остудити та зважити з точністю до 0,1 г.
Мал. 4. 9.
Зразок ґрунту повинен бути повністю занурений у контейнер, кран на сифоні повинен бути відкритий, щоб дозволити стекти витісненої рідини в приймач, потім приймач з рідиною повинен бути зважений з точністю до 0,1 г.
Представницьку частину зразка, вільну від парафіну, пластиліну або шпаклівки відбирають визначення вологості.
Метод зважування зразка у нейтральній рідині застосовується для визначення щільності мерзлих тонкодисперсних ґрунтів з тонкошарчастою та дрібносітчастою кріогенними текстурами при товщині мінеральних прошарків не більше 0,5 см. Зразок зважують у посудині ємністю 1000 см 3 на дві третини заповненій нейтральною рідиною. У процесі роботи вимірюється температура рідини та її щільність, з коромисла технічних терезів знімають ліву дужку з чашкою та врівноважують ваги мішечком з дробом, підвішеним на гачок лівої дужки. Пробу мерзлого ґрунту об'ємом нс менше 50 см 3 перев'язують капроновою ниткою, підвішують до лівої сережки терезів і зважують. На підставку терезів з лівого боку поміщають посудину з нейтральною рідиною, пробу мерзлого грунту завантажують у рідину на глибину не менше 5...7 см і знову зважують. Проба мерзлого ґрунту при зважуванні нс повинна стикатися з дном та стінками судини. Після зважування мерзлого моноліту повітря і потім у нейтральній рідини визначають загальну щільність мерзлого грунту. Точність вимірювання густини становить 0,02 г/см 3 .
Нейтральна рідина, що використовується дня визначення об'єму ґрунту, повинна мати температуру замерзання нижче температури замерзання цього ґрунту, не реагувати з ґрунтом і нс розчиняти лід. Зазвичай як нейтральна рідина застосовуються гас, гліцерин, толуол і лігроїн. Щільність цих рідин встановлюється ареометром.
Метод обміру зразків правильної геометричної форми (об'ємний метод) застосовується визначення щільності скельних і мерзлих грунтів. При відборі моноліту йому надають певну форму, що дозволяє встановити об'єм ґрунту в непорушеному додаванні. Відібрана проба ґрунту зважується та встановлюється загальна щільність ґрунту, а після його висушування до постійної ваги - щільність скелета ґрунту.Зазвичай щодо щільності грунту монолітам надають форму куба чи паралелепіпеда. Для визначення наближеного значення рза монолітами (об'ємом не менше 50 см 3), витягнутим із свердловин, вимірюється їх діаметр, висота (з точністю до 0,01 см) і маса.
Мал. 4.10. Визначення щільності ґрунтів методом заміщення об'єму: а - за допомогою поліетилену, вистеленого у лунці: б-ою допомогоюпіскозавантажувального апарату: в - апаратом з гумовим балоном
Метод лунки (об'ємний метод) застосовують для визначення загальної щільності мерзлих дисперсних порід з масивною та шліровою кріогенними текстурами та для великоуламкових порід (рис. 4.10). Метод використовується під час роботи у відкритих гірничих виробках. Дно виробітку вирівнюють і зачищають. У дні шурфу роблять поглиблення - лунку розміром не менше 30 х 30 х 30 см. Вибраний з лунки ґрунт зважують на чашкових вагах з точністю до 1,0 г. Після відбору ґрунту дно лунки вистилається синтетичною плівкою (рис. 4.10, а),потім лунку заповнюють водою або засипають сухим піском розміром зерен від 0,5 до 3,0 мм. Мірний пісок має бути однорідним і чистим. Вимірюють об'єм піску або об'єм води, необхідний для заповнення лунки, і таким чином встановлюють об'єм ґрунту, витягнутого з лунки. Визначивши масу ґрунту та його об'єм, обчислюють загальну щільність ґрунту.
Радіоізотопні методи застосовуються в основному для вимірювання щільності грунтів в умовах природного залягання. Існує два методи вимірювання щільності з використанням гамма-випромінювання: гаммаскопічний метод та метод розсіяного гамма-випромінювання. Як джерела гамма-випромінювання використовуються головним чином ізогони цезій-137 і кобали-60.
Гаммаскопічний методзаснований на ослабленні інтенсивності пучка гамма-квантів залежно від щільності речовини, через яку проходить пучок. На практиці використовуються три варіанти гаммаскопічного методу: а -джерело і детектор гамма-випромінювання розміщуються в паралельних свердловинах у ґрунті; б- детектор випромінювання знаходиться на поверхні, а джерело – у ґрунті; в- Джерело та детектор випромінювання знаходяться по обидва боки від досліджуваного об'єкта (зразка, моноліту тощо). Гаммаскопічний метод застосовується для вимірювання щільності ґрунтів до глибини 1,5...2,0 м.
Метод розсіяного гамма-випромінюваннявикористовується для вимірювань щільності ґрунтів у свердловинах. Якщо в свердловину помістити джерело гамма-квантів і на деякій відстані від нього детектор, то частина гамма-квантів, що потрапляють зі свердловини в ґрунт за рахунок розсіювання на електронах атомів ґрунту, повертатиметься в свердловину і реєструватиметься детектором. Для вимірювання щільності радіоізотопними методами вітчизняною промисловістю випускалися радіоізотопний вологощільномір УР-70 і поверхнево-глибинний щільномір ППГР-1, призначені для свердловинних вимірювань до глибини 30 м. Для вимірювання щільності верхнього шару грунту до глибини 0,3 м використовується щільно. Точність вимірювання густини коливається в межах ±(0,02...0,04) г/см 3 залежно від типу приладу. Час виміру в одній точці не перевищує 3 хвилин.
У цілому нині, величина щільності дисперсних грунтів коливається від 1,30 до 2,20 г/см 3 . Грунти, що характеризуються наявністю жорстких кристалізаційних зв'язків між частинками, мають велику щільність, величина якої при малій пористості наближається до значень у твердих частинок. Так, щільність магматичних порід змінюється в межах 2,50...3,40 г/см 3 (збільшується від кислих порід до основних та ультраосновних); аргілітів та алевролітів - 2,20-2,55; вапняків – 2,40-2,65; мергелів - 2,10...2,60; пісковиків - 2,10-2,40 г/см3. Щільність обводнених торфів через малу щільність скелета змінюється від 1,02 до 1,10 г/см 3 .
Величина щільності грунту залежить від мінерального складу, вологості та характеру додавання (пористості): зі збільшенням вмісту важких мінералів щільність грунту збільшується, а при збільшенні вмісту органічних речовин - зменшується; зі збільшенням вологості щільність ґрунту зростає: максимальною при даній пористості вона буде у разі повного заповнення пір водою; із збільшенням пористості щільність ґрунту зменшується.
Щільність значної частини осадових порідбільшою мірою залежить від їх пористості та вологості та значно меншою мірою - від мінерального складу, що пояснюється широкими межами зміни пористості (вологості та газонасиченості) цих порід, різкою відмінністю щільності твердої, рідкої та газоподібної складових і порівняно постійною щільністю найбільш поширених породоутворюючих мінералів . Величина ж щільності грунту магматичних, метаморфічних і значної частини хемогенних порід переважно визначається їх мінеральним складом, оскільки пористість цих порід зазвичай незначна .
Щільністю твердих частинок ґрунту p s ,г/см 3 або кг/м 3 називають масу твердої компоненти (представленої мінеральної або органічної складової) в одиниці об'єму грунту, представленого тільки твердою компонентою:
Величина густини твердих частинокґрунту визначається мінеральним складом, присутністю органічних та органо-мінеральних речовин і є середньозваженою щільністю цих компонентів ґрунту за відсутності порожнин і волога.
Визначення щільності твердих частинок ґрунту пікнометричним методом . Зразок ґрунту в повітряно-сухому стані подрібнюють у фарфоровій ступці, відбирають методом квартування середню пробу масою 100...200 г і просіюють крізь сито з сіткою № 2, залишок на ситі розтирають у ступці та просіюють крізь те ж сито. З перемішаної середньої проби беруть навішування ґрунту з розрахунком 15 г на кожні 100 мл ємності пікнометра і висушують до постійної маси. Наважку заторфованого ґрунту або торфу слід відбирати із середньої проби з розрахунку 5 г сухого ґрунту на кожні 100 мл ємності пікнометра, яка в цьому випадку має бути не менше 200 мл. Допускається використовувати ґрунт у повітряно-сухому стані, визначивши його гігроскопічну вологість.
Пікнометр, наповнений на 1/3 дистильованою водою, зважують. Потім через вирву в нього всипають висушену пробу ґрунту, знову зважують, збовтують і ставлять кип'ятити на піщану лазню. Тривалість спокійного кип'ятіння (з моменту початку кипіння) повинна становити: для пісків і супісків - 0,5 год, для суглинків і глин - 1 год. меніска збігався з нею. Пікнометр витирають зовні та зважують. Далі виливають вміст пікнометра, наливають у нього дистильовану воду, витримують у ванні з водою за тієї ж температури і зважують.
Щільність частинок ґрунту„ г/см обчислюють за формулою
де mo - маса сухого ґрунту, г; m1 - маса пікнометра з водою та ґрунтом після кип'ятіння при температурі випробування, г; m2- маса пікнометра з водою за тієї ж температури, г; р н,- Щільність води при тій же температурі, г/см 3 .
У разі використання ґрунту в повітряно-сухому стані w 0 обчислюють за формулою
де m- Маса проби повітряно-сухого ґрунту, г; р- гігроскопічна вологість ґрунту, %.
При визначенні p, ґрунту слід враховувати: можливість розчинення простих солей у процесі визначення, внаслідок чого виходять занижені значення p sщоб уникнути цього щодо питомої ваги засолених грунтів вода замінюється нейтральними рідинами (гас, бензин, толуол та інших.); можливість сильного стиснення шару води навколо колоїдальних частинок глин, що викликається молекулярними силами тяжіння, у результаті виходять завищені значення; для запобігання цьому слід застосовувати рідини з невеликим поверхневим натягом (толуол, ксилол та ін.); можливість неповного видалення адсорбованого на поверхні частинок повітря, у результаті виходять занижені значення.
Відповідно до щільності найбільш поширених породоутворюючих мінералів щільність твердих частинок більшості ґрунтів змінюється від 2,50 до 2,80 г/см 3 . Вона збільшується з підвищенням вмісту в ґрунтах важких мінералів, тому у основних та ультраосновних порід щільність істотно вища (3,00...3.74 г/см 3), ніж у кислих (наприклад, у гранітів 2,63...2,75) г/см 3 частіше 2,65...2,67 г/см 3). У табл. 4.6 наведено орієнтовні значення щільностей частинок дисперсних ґрунтів, що не містять водорозчинних солей та органічних речовин. Зазначені середні значення зазвичай приймаються за відсутності прямих визначень щільності твердих частинок для розрахунку серії показників властивостей ґрунтів, зокрема пористості та коефіцієнта пористості.
Таблиця 4.6
Значення щільності частинок дисперсних ґрунтів
Наявність органічних речовин різко знижує щільність твердих частинок ґрунту, оскільки їхня щільність невелика в порівнянні з мінеральною компонентою. Саме тому щільність твердої компоненти торфів, заторфованих ґрунтів та ґрунтів істотно нижча порівняно з мінеральними ґрунтами.
Біля торфів p sзмінюється від 1,20 до 1,89 г/см 3 , у нормальнозольних торфів - до 1,84 г/см ", у заторфованих ґрунтів - до 2.08 г/см 3 . Частіше зустрічаються значення р 3в інтервалі від 1,4 до 1,6 г/см", у розрахунках приймається 1,5 г/см". Мінімальні значення показника при близьких значеннях зольності відзначені у торфів деревної групи та торфів. що містять деревні залишки, максимальні - у торфів мохової групи.
У зв'язку з трудомісткістю визначення густина частинок торфу можна розрахувати за формулою
Враховуючи, що щільність органічних частинок p sор Г = 1,5 г/см 3 щільність мінеральних частинок в середньому р в *ш= 2,65 г/см 3 то формула спрощується:
Таблиця 4.7
Нормативні точення щільності частинок засолених ґрунтів
Щільністю скелета ґрунту p d ,г/см 3 або кг/м 3 називають масу твердої компоненти в одиниці об'єму грунту, висушеної при температурі 105 °С, при природній (непорушеної) структурі:
Величина щільності скелета ґрунту використовується для обчислення пористості, коефіцієнта пористості, а також характеристики ступеня ущільненості глинистих грунтів в насипних спорудах.
Щільність скелета ґрунту визначається експериментально або чаші обчислюється за величинами густини ґрунту (р)та вологості (і-) за формулою:
За щільністю скелета p dвсі ґрунти поділяють на різновиди (табл. 2.2)
Мал. 4.11. Ідеальні моделі укладання частинок пухких та щільних піщаних ґрунтів
Ступінь щільності ґрунту Id-При будівництві насипів, дамб обвалування, земляних гребель та інших насипних земляних споруд необхідно знати щільність ґрунтів при пухкому та щільному додаванні. Піщані грунти можуть суттєво відрізнятися за рівнем щільності чи характером додавання. Наприклад, залежно від характеру укладання куль однакового розміру пористість системи може змінюватися від 47,64 % при найбільш пухкому кубічному укладанні до 25,95 % при найбільш щільному тетраедричному укладання (рис. 4.11). У реальних піщанопилуватих грунтах через різницю розмірів їх частинок пористість змінюється у ширших межах - від 8... 10 до 80 %.
Для піщаних ґрунтів, для яких не завжди можливо практично визначити щільність скелета при природній структурі, часто проводять її визначення на повітряно-сухих зразках з порушеним додаванням при двох станах: гранично-пухкому та щільному.
Для кількісної оцінки щільності додавання пісків використовується показник відносної густини або ступінь густини (Id),визначається за формулою
де е- Коефіцієнт пористості при природному або штучному додаванні; emах - коефіцієнт пористості в гранично щільному додаванні; e min - коефіцієнт пористості в гранично рихлому додаванні.
Для підрахунку I Dнеобхідно мати дані результатів польових визначень величини еі для цього Грунта У лабораторних умовах визначити emах та e min. Для знаходження e min зазвичай використовують пухке відсипання ґрунту в мірну судину, а для визначення emах - динамічні методи ущільнення ґрунту в мірній судині.
Але ступеня щільності Idпіски поділяють згідно з табл. 2.3. При //> = 0 ґрунт знаходиться в самому пухкому стані, а при Id= 1 грунт має найщільніше додавання.
Різні за зерновим складом ґрунти мають суттєво відмінні значення emах та e min, причому зі збільшенням крупності вони зменшуються. На граничні значення коефіцієнтів пористості нt менший вплив має форма частинок. Зі збільшенням окатанності і сферичності вони зменшуються, тому використання як характеристики густини складання величини відносної густини Id,що враховує як зерновий склад, і форму частинок, дає найбільш об'єктивний критерій щільності складання.
Для визначення характеристик ущільненого ґрунту застосовують метод визначення максимальної щільності,який полягає у встановленні залежності густини скелета ґрунту від його вологості при трамбуванні зразків з постійною витратою роботи на їх ущільнення та у визначенні за цією залежністю максимальної величини густини скелета ґрунту (Рах).Вологість, при якій досягнуто максимальної щільності скелета грунту, є оптимальною вологістю wопт
Метод лабораторного визначення максимальної густини (метод стандартного ущільнення) полягає у встановленні залежності щільності сухого ґрунту від його вологості при ущільненні зразків ґрунту з постійною роботоюущільнення та послідовним збільшенням вологості грунту.
До складу установки (рис. 4.12) для випробування грунту методом стандартного ущільнення повинні входити: пристрій для механізованого або ручного ущільнення грунту вантажем, що падає з постійної висоти; форма для зразка ґрунту. Конструкція пристрою для ущільнення ґрунту повинна забезпечувати падіння вантажу масою (2500 ± 25) г по напрямній штанзі з постійної висоти (300 ± 3) мм на ковадло діаметром (99,8 ± 0,2) мм. Відношення маси вантажу до маси напрямної штанги з ковадлом має бути не більше 1,5. При механізованому способі ущільнення до складу пристрою має входити механізм підйому вантажу на постійну висоту та лічильник числа ударів. Установка повинна розміщуватись на жорсткій горизонтальній плиті (бетонній або металевій) масою не менше 50 кг. Відхилення поверхні від горизонталі не повинно перевищувати 2 мм/м.
Форма для зразка ґрунту повинна складатися з циліндричної частини, піддону, затискної кільця та насадки. Циліндрична частина форми повинна мати висоту (127,4±0,2) мм та внутрішній діаметр (100,0 + 0,3) мм. Тимчасовий опір металу циліндричної частини форми має бути не менше ніж 400 МПа. Циліндрична частина форми може бути цільною або з двох роз'ємних секцій.
Для випробування ґрунту методом стандартного ущільнення використовують зразки ґрунту порушеного додавання, відібрані з гірських виробок (шурфів, котлованів, свердловин бурових та ін.), оголень або складованих масивів.
Необхідна для підготовки проби ґрунту маса зразка ґрунту порушеною додаванням при природній вологості повинна бути не менше 10 кг за наявності в ґрунті частинок більше 10 мм і не менше 6 кг - за відсутності частинок більше 10 мм. Представлений для випробування зразок ґрунту порушеного додавання висушують при кімнатній температурі або в сушильній шафі до повітряно-сухого стану. Висушування в сушильній шафі незв'язних мінеральних ґрунтів допускається проводити при температурі не більше 100 °С, зв'язкових - не більше 60 °С. У процесі сушіння ґрунт періодично перемішують. Роздрібнюють агрегати ґрунту (без дроблення великих частинок) у розтиральному пристрої або у фарфоровій ступці.
Мал. 4.12. Прилади для стандартного ущільнення ґрунтів: а – прилад ТОВ "НВО "Геотек"" (140]); б - прилад Союздорнії (з двома склянками); в - схема приладу Союздорніі f28f: I - піддон; 2 - роз'ємний циліндр ємністю 1000 см*:
3 кільце; 4 насадка; 5 ковадло: 6 вантаж масою 2.5 кг; 7 напрямний стрижень; 8 - обмежувальне кільце; 9 - затискні гвинти
Грунт зважують і просівають через сита з отворами діаметром 20 мм та 10 мм. При цьому вся маса ґрунту має пройти через сито з отворами діаметром 20 мм. Потім зважують великі великі частинки. Якщо маса частинок ґрунту більша за 10 мм становить 5 % і більше, подальше випробування проводять з пробою ґрунту, що пройшов через сито 10 мм. Якщо маса частинок ґрунту більше 10 мм становить менше 5 %, проводять подальше просіювання ґрунту через сито з отворами діаметром 5 мм і визначають вміст частинок більше 5 мм. В цьому випадку подальше випробування проводять з пробою ґрунту, що пройшов через сито 5 мм.
З відсіяних великих частинок відбирають проби визначення їх вологості і середньої щільності твердих частинок. З ґрунту, що пройшла через сито, відбирають проби для визначення його гігроскопічної вологості. Обчислюють вміст у ґрунті великих частинок До, %, з точністю 0,1 % за формулою
(4.1)
де mц- Маса відсіяних великих частинок, г; w g- вологість просіяного ґрунту в повітряно-сухому стані, %; т р -маса зразка ґрунту в повітряно-сухому стані, г; іт. - Вологість відсіяних великих частинок, %.
З просіяної ґрунту відбирають методом квартування пробу ґрунту для випробування (/Ір") масою 2500 г. Допускається проводити весь цикл випробувань з використанням однієї відібраної проби.Відібрану пробу поміщають у металеву чашку для випробувань.
Кількість води Q, г, для доулагодження відібраної проби до вологості першого випробування розраховують за формулою
(4.2)
де m р "- Маса відібраної проби, г; w -вологість ґрунту для першого випробування, що призначається по габл. 4.8, %; w g -вологість просіяного ґрунту в повітряно-сухому стані, %.
Таблиця 4.8
Значення вологості ґрунту для першого випробування
У відібрану пробу грунту за кілька прийомів вводять розраховану кількість води, перемішуючи грунт металевим шпателем, потім переносять пробу грунту з чашки в ексикатор або посудину, що щільно закривається, і витримують її при кімнатній температурі не менше 2 год для незв'язних грунтів і не менше 12 год для зв'язкових грунтів .
Циліндричну частину форми (заздалегідь зважену) встановлюють на піддон, не затискаючи гвинтами, встановлюють затискне кільце на верхній борт циліндричної частини форми, затискають циліндричну частину форми поперемінно гвинтами піддону і кільця, протирають внутрішню поверхню технічним вазеліном. Зібрану форму встановлюють на плиту основи та перевіряють стерпність напрямної штанги та циліндричної частини форми та вільний хід вантажу по напрямній штанзі.
Випробування проводять послідовно збільшуючи вологість грунту проби, що випробовується. При першому випробуванні вологість ґрунту має відповідати значенню, встановленому в табл. 4.11. При кожному наступному випробуванні вологість ґрунту слід збільшувати на 1...2 % для незв'язних ґрунтів, на 2...3 % - для зв'язних ґрунтів.
Кількість води для зволоження проби, що випробовується, визначають за формулою (4.2), приймаючи в ній за w gі wвідповідно вологості при попередньому та черговому випробуваннях.
Випробування проби ґрунту проводять у наступному порядку: пробу переносять з ексікатора в металеву чашку і ретельно перемішують; шар ґрунту завтовшки
5.. .6 см завантажують у зібрану форму з проби та злегка ущільнюють рукою його поверхню. Ущільнення виробляють 40 ударами вантажу з висоти 30 см але на ковадлі, зафіксованій на напрямній штанзі. Аналогічну операцію виробляють з кожним із трьох шарів ґрунту, що послідовно завантажуються у форму. Перед завантаженням другого і третього шарів поверхню попереднього шару ущільненого розпушують ножем на глибину 1.. .2 мм. Перед укладанням третього шару на форму встановлюють насадку; після ущільнення третього шару знімають насадку і зрізають виступаючу частину грунту врівень з торцем форми. Товщина виступаючого шару грунту, що зрізається нс повинна бути більше 10 мм. Якщо виступаюча частина ґрунту перевищує 10 мм, необхідно виконати додаткове число ударів із розрахунку один удар на 2 мм перевищення.
Поглиблення, що утворюються після зачистки поверхні зразка, внаслідок випадання великих частинок, заповнюють вручну грунтом з частини відібраної проби, що залишилася, і вирівнюють ножем.
Зважують циліндричну частину форми з ущільненим ґрунтом (Mі)і обчислюють щільність ґрунту р ( ,г/см 3 за формулою
і де m,- Маса циліндричної частини форми з ущільненим ґрунтом, г; m, -маса циліндричної частини форми без ґрунту, г; V -місткість форми, см".
Ущільнений зразок ґрунту витягають з циліндричної частини форми, при цьому з верхньої, середньої та нижньої частин зразка відбирають проби для визначення вологості ґрунту. Витягнутий з форми грунт приєднують до частини проби, що залишилася в чашці, подрібнюють і перемішують. Розмір агрегатів не повинен перевищувати найбільшого розміру частинок ґрунту, що випробовується.
Після додавання води ґрунт ретельно перемішують, накривають вологою тканиною і витримують не менше 15 хв для незв'язних ґрунтів і не менше 30 хв - для зв'язних ґрунтів. Друге та подальші випробування ґрунту слід проводити відповідно до порядку, викладеного раніше.
Випробування слід вважати закінченим, коли з підвищенням вологості проби при наступних двох випробуваннях відбувається послідовне зменшення значень маси і щільності ущільнюваного зразка ґрунту, а також коли при ударах відбувається віджимання води або виділення розрідженого ґрунту через з'єднання форми. Ущільнення однорідних по гранулометричному складу і дренирующих грунтів припиняють після появи води в з'єднаннях форми незалежно від кількості ударів при ущільненні зразка.
За значеннями щільності та вологості грунту, отриманими в результаті послідовних випробувань, обчислюють значення щільності сухого грунту г/см 3 з точністю 0,01 г/см 3 за формулою
де pi -щільність ґрунту, г/см"; wi - вологість ґрунту при черговому випробуванні, %.
Результати випробувань подають у вигляді графіків залежності щільності сухого ґрунту від вологості (рис. 4.13). За найвищою точкою графіка для зв'язкових ґрунтів знаходять значення максимальної щільності та відповідне значення оптимальної вологості.
Мал. 4.13. Графіки визначення максимальної щільності та оптимальної вологості: а) зв'язкових ґрунтів: б) незв'язних ґрунтів
Для незв'язних ґрунтів графік стандартного ущільнення може мати помітно вираженого максимуму. У цьому випадку значення оптимальної вологості приймають на 1,0... 1,5% менше вологості і"„ при якій відбувається віджимання води. Значення максимальної щільності приймають по відповідній їй ординаті. і середньої крупності; 1,5% - для дрібних та пилуватих пісків.
Якщо у ґрунті містилися великі частинки, які перед випробуванням були видалені з проби, то для обліку впливу їх складу коригують встановлене значення максимальної щільності сухого ґрунту за формулою
Де р * - щільність великих частинок, г/см 3; До- вміст великих частинок у ґрунті, %.
Значення оптимальної вологості ґрунту w opl ,%, визначають за формулою
Для контролю правильності випробування зв'язкових ґрунтів будують "лінію нульового утримання повітря",що показує зміну щільності сухого ґрунту від вологості при повному насиченні його пір водою. Пари чисел рлі w,для побудови "лінії нульового утримання повітря"при щільності частинок ґрунту р 5визначають, задаючи значення вологості, за формулою
Де р, - щільність частинок ґрунту, г/см"; р і - щільність води, що дорівнює 1 г/см".
Низхідна частина графіка стандартного ущільнення не повинна перетинати "лінію нульового вмісту повітря".
Число послідовних випробувань ґрунту при збільшенні його вологості має бути не менше п'яти та достатнім для виявлення максимального значення щільності сухого ґрунту за графіком стандартного ущільнення. Допустима розбіжність між результатами паралельних визначень. отриманими в умовах повторюваності, не повинно перевищувати максимального значення щільності сухого грунту 1,5%, для оптимальної вологості -10% .
Для визначення максимальної щільності та оптимальної вологості ґрунту (відповідно до BS, ASTM та інших зарубіжних стандартів) застосовуються метод Проктора та метод Проктора модифікований. Процедура випробувань за методом Проктора та їх обробка аналогічні вищенаведеній методиці, вимоги до ґрунтів та обладнання також близькі: діаметр частинок не більше 20 мм; вага молота, згідно з BS, становить 2.5 кг (або 4.5 кг); висота падіння 300 мм (або 450 мм); згідно ASTM вага молота – 2,5 кг (або 4,5 кг); висота падіння 305 мм (або 457 мм). Відмінності між російським стандартом і зарубіжними полягають у тому, що діаметр молота у закордонних пристроях - 50 мм, а вітчизняних приладах діаметр молота відповідає внутрішньому діаметру склянки 99,8 мм. Молот для ручного та для автоматичного ущільнення ґрунту фірми ELE, а також графік для визначення максимальної щільності та оптимальної вологості ґрунту згідно BS. наведено на рис. 4.14.
Приведення значень максимальної густини та оптимальної вологості для основних різновидів ґрунтів, що визначаються методом стандартного ущільнення, до значень, отриманих методами Проктора, здійснюють шляхом множення на перехідні коефіцієнти, наведені в табл. 4.9.
Мал. 4.14. Метод проктора: а - прапор Проктора для ручного ущільнення ґрунту;
6 – механізм для автоматичного ущільнення ґрунту; у графік для визначення максимальної щільності та оптимальної вологості ґрунту (136)
Таблиця 4.9
Коефіцієнт приведення значень максимальної щільності та оптимальної вологості ґрунту до значень, отриманих методами Проктора
|
Різновид грунту |
|||||||
|
Метод випробування ґрунту |
Суглинок та глина |
||||||
|
Ргтьх |
W 0 pі Pitmax |
||||||
|
Метод Проктора стандартний |
|||||||
|
Метод проктора модифікований |
|||||||
Результати випробувань також подають у вигляді графіків залежності щільності сухого ґрунту від вологості (рис. 4.14). За оптимальну вологість приймають вологість, що відповідає максимальній щільності.
ГОСТ 22733-77
Група Ж39
ДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ СПІЛКИ РСР
МЕТОД ЛАБОРАТОРНОГО ВИЗНАЧЕННЯ МАКСИМАЛЬНОЇ ЩІЛЬНОСТІ
Soils. Метод для laboratory
determination of maximum density
Дата введення 1978-07-01
ЗАТВЕРДЖЕНИЙ І ВВЕДЕНИЙ У ДІЮ Постановою Державного комітету Ради Міністрів СРСР у справах будівництва 30 вересня 1977 р. N 150
Перевидання. Жовтень 1987
Цей стандарт поширюється на глинисті, піщані та гравійні грунти та встановлює метод лабораторного визначення максимальної щільності скелета грунту та оптимальної вологості грунту, що використовуються при призначенні необхідної щільності грунтів, а також при контролі вологості ущільнюваних грунтів та якості ущільнення їх у земляних споруд .
Стандарт не поширюється на ґрунти, що містять понад 30% зерен більше 10 мм, а також на заторфовані ґрунти.
1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
1.1. Метод полягає у встановленні залежності щільності скелета ґрунту від його вологості при трамбуванні зразків з постійною витратою роботи на їх ущільнення та у визначенні цієї залежності
Вологість, при якій досягнуто максимальної щільності скелета грунту, є оптимальною
1.2. Для встановлення залежності щільності скелета ґрунту від його вологості проводять серію окремих випробувань ґрунту на ущільнення із послідовним збільшенням його вологості. Результати випробувань подають у вигляді графіка. Кількість окремих випробувань для побудови графіка має бути не менше шести, а також достатньою для виявлення максимального значення густини скелета ґрунту.
1.3. Випробування ґрунтів здійснюють у приладі Союздорнії для стандартного ущільнення ґрунтів (див. додаток 1) шляхом пошарового трамбування ґрунту ударами вантажу масою 2,5 кг, що падає з висоти 300 мм; при цьому загальна кількість ударів має становити 120.
1.4. Усі результати, отримані в процесі підготовки та випробувань ґрунту, повинні заноситись до журналу визначення максимальної щільності скелета ґрунту за формою, наведеною у додатку 2.
2. ВІДБІР ПРОБ ГРУНТУ
2.1. Проби ґрунту (зразки порушеного складання) слід відбирати в природних та штучних оголеннях та гірничих виробках з однорідного на вигляд шару ґрунту відповідно до вимог ГОСТ 12071-84. Маса проби ґрунту має бути не менше 10 кг. Кожна відібрана проба ґрунту повинна бути забезпечена даними про найменування об'єкта, потужність даного шару, глибину, місце і дату відбору ґрунту, а також найменування ґрунту за візуальним визначенням.
3. АПАРАТУРА
3.1. Для проведення випробувань потрібні такі прилади, обладнання та інструменти:
прилад Союздорнії для стандартного ущільнення ґрунтів;
ваги настільні гірні або циферблатні за ГОСТ 23711-79;
ваги лабораторні за ГОСТ 24104-80;
гірі за ГОСТ 7328-82;
машина розтиральна (бігуни лабораторні) або ступка № 7 (діаметром по верху 240 мм) з маточкою, забезпеченою гумовим наконечником, за ГОСТ 9147-80;
шафа сушильна;
сито з отворами 10 мм;
ексикатор типу Е-250 за ГОСТ 25336-82;
чашки металеві ємністю щонайменше 5 л;
циліндри мірні з носиком ємністю 100 і 500 мл за ГОСТ 1770-74;
лопаточка-мастерок;
лінійка металева довжиною 30 см за ГОСТ 427-75;
штангенциркуль ШЦ-1-125, модель 183 за ГОСТ 166-80;
ніж лабораторний;
склянки алюмінієві для зважування;
пензлики.
Примітка. Дозволяється застосовувати прилади з параметрами, відмінними від приладу Союздорнії, та відповідною зміною методики, за умови, що для даного виду ґрунту експериментально доведено ідентичність одержуваних при цьому результатів з результатами випробувань у приладі Союздорнії.
4. ПІДГОТОВКА ДО ВИПРОБУВАНЬ
4.1. Підготовка ґрунту
4.1.1. Підготовка ґрунту до випробувань складається з наступних операцій:
обробка проби ґрунту масою 10 кг;
виділення та підготовка окремих проб ґрунту масою 2,5 кг до випробування.
4.1.2. Обробка проби ґрунту масою 10 кг повинна проводитися в наступному порядку:
висушування в приміщенні при кімнатній температурі до повітряно-сухого стану, при якому можна проводити подрібнення та просіювання грунту;
подрібнення (без дроблення зерен) у ступці маточкою з гумовим наконечником або в машині для розтирання (лабораторними бігунами);
просіювання крізь сито з отворами розміром 10 мм;
відбір проб масою не менше 30 г з ґрунту, що пройшов крізь сито, для визначення вологості -
зважування зерен розміром більше 10 мм (маса | та відбір з них проб для визначення | |||||||||
вологості | та щільності зерен | |||||||||
4.1.4. Виділення окремих проб масою 2,5 кг та підготовка їх до випробування повинні проводитися в наступному порядку:
перемішують ґрунт, що пройшов крізь сито, і розподіляють його рівним шаром на листі картону, фанери або щільного паперу;
відбирають їх у металеві чашки для випробування;
відібрані окремі проби ґрунту дозволожують до вихідної вологості | Приймається |
рівною 4% для піщаних, гравійних ґрунтів та 8% для глинистих ґрунтів. Необхідна для дозволоження проби ґрунту кількість води (Q) визначають за формулою
вводять у проби ґрунту розраховану кількість води і одночасно перемішують ґрунт лопаткою-мастерком;
переносять проби ґрунту з чашок в ексікатори та витримують їх не менше 2 годин при закритих кришках ексікаторів.
4.2. Підготовка приладу
4.2.1. Підготовка приладу до випробування повинна здійснюватись у наступній послідовності:
встановлюють циліндр піддон, не затискаючи його гвинтами;
встановлюють кільце на борт циліндра;
затискають циліндр поперемінно гвинтами піддону та кільця;
перевіряють розміри циліндра штангенциркулем; при цьому внутрішній діаметр і глибина повинні дорівнювати відповідно 100 і 127 мм;
визначають масу (m(4) зібраного контейнера (циліндр з піддоном і кільцем) з похибкою до 1 г і заносять дані в журнал (див. додаток 2);
встановлюють зібраний контейнер приладу на жорстку нерухому основу масою не менше 50 кг.
5. ПРОВЕДЕННЯ ВИПРОБУВАНЬ
5.1. Випробування ґрунту проводять послідовно з окремими пробами ґрунту. Вологість проби при першому випробуванні повинна дорівнювати вихідній, встановленій у п. 4.1.4. При кожному наступному випробуванні вологість слід збільшувати на 1-2% для піщаних, гравійних ґрунтів та 2-3% для глинистих ґрунтів. Кількість води для зволоження проби визначають за формулою (2), приймаючи в ній за m(3) - масу грунту, що залишився від попереднього випробування, а за W(1) і W(3) - відповідно вологості, що задаються при попередньому і черговому випробуваннях .
5.2. Кожну окрему пробу слід випробовувати трохи більше трьох разів. При випробуванні ґрунтів, що містять зерна, що легко руйнуються при трамбуванні, кожну пробу випробовують лише один раз.
5.3. Ущільнення ґрунту кожної проби має виконуватися шляхом послідовного трамбування трьох шарів.
5.4. Випробування ґрунту слід проводити в наступному порядку:
підготовлену пробу ґрунту переносять з ексікатора в металеву чашку, а потім шарами завантажують у циліндр приладу, притискаючи ґрунт трамбуванням. Кожен шар повинен мати висоту 5-6 см та ущільнюватися 40 ударами вантажу; при цьому стрижень трамбування необхідно утримувати у вертикальному положенні. Перед завантаженням другого та третього шарів поверхню попереднього шару розпушують ножем на глибину 1-2 мм. Перед укладанням третього шару на циліндр надягають насадку;
після ущільнення третього шару насадку знімають і зрізають виступаючу частину зразка врівень з торцем циліндра. Товщина шару грунту, що зрізається, не повинна бути більше 10 мм. При більшій товщині необхідно провести повторне випробування із зменшеними товщинами шарів ґрунту, що ущільнюється;
визначають масу контейнера із ґрунтом | з похибкою до 1 г та розраховують | ||||||
щільність вологого зразка ґрунту | з похибкою до 0,01 г/куб.см за формулою | ||||||
де V - ємність циліндра, що дорівнює 1000 куб.см;
знімають піддон і кільце, розкривають циліндр і витягають зразок ущільнений грунту. З верхньої, середньої та нижньої частин зразка відбирають по одній пробі масою не менше 30 г для визначення вологості грунту (W) за ГОСТ 5180-84;
вилучений з циліндра грунт приєднують до частини проби, що залишилася в чашці, розтирають, перемішують і зважують. Потім підвищують вологість проби згідно з п. 5.1. Після додавання води ґрунт перемішують, накривають вологою тканиною та витримують не менше 15 хв.
5.5. Друге та подальші випробування ґрунту на ущільнення повинні проводитися відповідно до пп. 5.2-5.4.
5.6. Випробування визначення максимальної щільності скелета грунту слід вважати закінченими тоді, коли з підвищенням вологості проби при наступних двох, трьох випробуваннях на ущільнення відбувається послідовне зменшення значень щільності ущільнених зразків грунту або коли грунт перестає ущільнюватися і починає при ударах вантажу вичавлюватися з приладу.
6. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ
6.1. За отриманими в результаті випробувань значеннями щільності та вологості ущільнених
зразків визначають щільність скелета ґрунту | з похибкою до 0,01 г/куб. |
|||||||
за формулою | ||||||||
6.2. Будують графік залежності щільності скелета від вологості ґрунту (див. додаток 3), відкладаючи по осі абсцис вологість ущільнених зразків у масштабі 1 см - 2%, а по осі ординат - щільність скелета ґрунту в масштабі 1 см - 0,05 г/куб. див. Знаходять максимум отриманої залежності та відповідні йому величини максимальної щільності скелета ґрунту
на осі ординат та оптимальної вологості | На осі абсцис. | |||||||||
Точність зчитування значень має бути для | 0,01 г/куб.см, а для | |||||||||
Якщо при побудові графіка крива залежності виходить без помітного піку,
що може мати місце для піщаних і гравійних грунтів, | слід приймати досягнуту |
||||
максимальну щільність скелета ґрунту, а за | Найменше значення вологості, за якої | ||||
досягається максимальна щільність скелета ґрунту.
6.3. Якщо у ґрунті містилися зерна більші за 10 мм, які перед випробуванням згідно з п. 4.1.2 були видалені з проби ґрунту, то для обліку впливу таких зерен на величину максимальної щільності ґрунту
необхідно отримані значення | для частини проби, що пройшла крізь |
|||
досліджуваного ґрунту в цілому (з включенням зерен більше 10 мм) за формулами:
Додаток 1. Схема приладу Союздорнії для стандартного ущільнення ґрунтів
ДОДАТОК 1
Обов'язкове
1 – піддон;
2 – роз'ємний циліндр ємністю 1000 куб.см; 3 - кільце; 4 – насадка; 5 - ковадло;
6 - вантаж масою 2,5 кг; 7 - напрямний стрижень; 8 - обмежувальне кільце; 9 – затискні гвинти.
Додаток 2. ЖУРНАЛ ВИЗНАЧЕННЯ МАКСИМАЛЬНОЇ ЩІЛЬНОСТІ СКЕЛЕТА ГРУНТУ
ДОДАТОК 2
Обов'язкове
Об'єкт _____________________________________________________________
Місце відбору ґрунту _________________________________________________
Глибина відбору ґрунту, м ________; потужність шару ґрунту, м _____________
Вид ґрунту ____________________. Дата відбору __________________________
Маса проби ґрунту (після подрібнення) m(1), кг _______________________
Дані по залишку на ситі зерен (після просіювання проби):
а) маса зерен m(2), кг ___________; б) вологість зерен W(2) ____________
Вологість минулого крізь сито ґрунту W(1), % ________________________
Маса відібраних для випробування проб ґрунту m(3), кг ____________________
Оптимальна вологість ґрунту W(опт), % _______________________________
Максимальна щільність скелета ґрунту з урахуванням зерен більше 10 мм.