673
.pdf
Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего слоя взрыхляется ножом на глубину 1–2 мм.
Перед укладкой третьего слоя на цилиндр надевается насадка (неразъемный цилиндр).
После уплотнения третьего слоя насадку снимают (придерживая штамп), выступающую часть грунта срезают заподлицо с торцом цилиндра. Затем цилиндр с грунтом переворачивают и устанавливают на пластину из органического стекла. Снимают поддон, ножом выравнивают нижнюю часть грунта вровень с краями цилиндра и определяют массу цилиндра с грунтом М с
точностью до 1 г. После этого рассчитывают плотность влажного образца грунта (с точностью до 0,01 г/см3) по формуле
|
M m |
, |
(18) |
|
V |
|
|
где m – масса пустого цилиндра; V – объем цилиндра, равный
960 см.
Раскрывают цилиндр, извлекают уплотненный грунт и разрезают его ножом по диаметру на две части. С каждой части образца методом «бороздки» отбирают две пробы грунта массой не менее 30 г для определения влажности W. Определяется влажность.
Таким образом исследуются все пять проб грунта.
По полученным значениям плотности грунта и влажности уплотненных образцов W определяют плотность сухого уплот-
ненного грунта d с точностью до 0,01 г/см3 по формуле
d 1 W . (19)
Результаты испытаний заносятся в табл. 10.
Таблица 10
Результаты опытного уплотнения грунта
Показатель |
|
Номер пробы |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Плотность уплотненного грунта , г/см3 |
Ρ1 |
ρ2 |
ρ3 |
ρ4 |
ρ5 |
Влажность уплотненного грунта W |
W1 |
W2 |
W3 |
W4 |
W5 |
Плотность сухого уплотненного грунта d , г/см3 |
ρd1 |
ρd2 |
ρd3 |
ρd4 |
ρd5 |
|
|
|
|
|
51 |
Строится график зависимости плотности сухого уплотненного грунта d от влажности: по вертикальной оси откладывается плот-
ность сухого грунта d, по горизонтальной – влажность уплотненных образцов грунта (рис. 19).
По вертикальной оси графика определяют величину максимальной плот-
ности сухого грунта dmax, а по горизонтальной оси – величину оптимальной влажности.
Если при построении графика кривая зависимости получается без заметно выраженного максимума, что может иметь место для песчаных и гравийных
грунтов, за dmax следует принимать максимальную
плотность сухого грунта, а за Wопт – наименьшее значение влажности, при которой эта плотность достигается.
Если в грунте содержались зерна крупнее 10 мм, которые перед испытанием были удалены из него, то для учета их влияния необходимо полученные значения ρdmax пересчитать по формуле
d max |
d max s |
, |
(20) |
|
s 0,01x( s d max ) |
||||
|
|
|
где s – плотность минеральных частиц крупнее 10 мм, г/см3
(принимается s = 2,65 г/см3); x – содержание в пробе частиц крупнее 10 мм, %.
8.8. Компрессионные испытания грунтов. Определение деформационных характеристик
Под компрессией понимается исследование сжимаемости грунтов без возможности бокового расширения. Испытания проводятся в специальных компрессионных приборах. Грунт при испытании помещается в жесткую недеформируемую цилин-
52
дрическую обойму и в ней обжимается вертикальной нагрузкой через рычажную систему. Наиболее распространенным по конструктивному оформлению является компрессионный прибор системы «Гидропроекта» (рис. 20), вообще же таких конструкций много.
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|||||||
|
|
4 |
|
|
|||||||||||
|
|
A |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
h |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h
3
Рис. 20. Схема компрессионного прибора:
1 – проба грунта; 2 – корпус; 3 – перфорированный поддон; 4 – поршень; s – осадка образца; h – начальная высота образца
Испытания образца грунта производят путем ступенчатого приложения вертикальной нагрузки . Величина ступеней обычно принимается по = 0,05 МПа. Каждую ступень нагрузки выдерживают до затухания осадки (на практике обычно ограничиваются условной стабилизацией деформаций). Для каждой ступени нагружения с помощью индикатора часового типа измеряют абсолютную осадку s.
По результатам испытаний можно для каждой ступени вычислить относительную деформацию hs и построить график зави-
симости = f ( ). Такой график, приведенный на рис. 21, называется компрессионной кривой. Из графика видно, что при компрессионном испытании связь между относительными деформациями и напряжениями нелинейная. В небольших интервалах напряжений нелинейную зависимость без большой погрешности можно заменить линейными (рис. 21). Тангенс угла наклона спрямлен-
53
ного участка к оси называют относительным коэффициентом сжимаемости и обозначают:
|
|
|
|
|
|
m |
|
. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из последнего выраже- |
|
|
|
|
|
|
|
, МПа |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
ния определяется |
модуль |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
деформации грунта Е: |
|
|
|
|
|
|
E z . |
|
||||
|
|
|
|
|
|
(21) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
При производственных |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
испытаниях модуль дефор- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мации чаще всего опреде- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
ляют на участке изменения |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Рис. 21. Компрессионная кривая |
|
|
от 0,1 до 0,2 МПа или для |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
того диапазона напряжений, |
|
в котором ожидается работа основания сооружения. Коэффициент в формуле учитывает компрессионные усло-
вия сжатия грунта. Поскольку грунт рассматривается как линейно деформируемая среда в небольшом интервале изменения напряжений, то следует записать:
1 |
|
|
2v2 |
. |
(22) |
||
1 |
v |
||||||
|
|
|
|
||||
С использованием понятия относительного коэффициента сжимаемости mv выражение для модуля деформации можно записать также в виде:
E |
|
. |
(23) |
|
|||
|
m |
|
|
|
v |
|
|
Очевидно, что, пользуясь только компрессионными испытаниями, модуль деформации определить невозможно, поскольку
неизвестен коэффициент , зависящий от коэффициента Пуассона ν, который определить из обычных компрессионных испытаний нельзя. Однако экспериментально установлено, что коэффициент Пуассона незначительно меняется для данного вида грунта, поэтому для практических целей при определении компрессион-
54
ного модуля деформации Е коэффициент Пуассона принимается по справочным данным в зависимости от вида грунта.
8.9. Сдвиговые испытания грунтов. Определение прочностных характеристик
Разрушение грунтовых массивов происходит, как правило, в виде сдвига одной его части по другой. Поэтому естественно рассматривать прочность грунта, отталкиваясь прежде всего от его поведения при сдвиге.
Для изучения предельного сопротивления грунтов сдвигу разработаны специальные приборы и методики испытаний. Наиболее распространенными в настоящее время являются
сдвиговые приборы (рис. 22).
|
|
n |
N |
|
|
|
|
A |
|||
4 |
|||||
|
|
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1
2
|
|
n |
T |
|
3 |
A |
|||
|
|
|||
|
|
|
|
Рис. 22. Сдвиговой прибор:
1 – проба грунта; 2, 3 – подвижная и неподвижная обоймы; 4 – штамп для передачи сжимающего давления; Т – сдвигающая сила;
N – сжимающая сила; – величина сдвига, мм
Рассмотрим кратко методику испытаний. Испытанию подвергаются образцы грунта ненарушенной структуры, иногда – нарушенной структуры с заданными исходными значениями плотности и влажности (например, для песков).
Образец грунта помещается в металлическое кольцо, разделенное на части – подвижную и неподвижную обоймы. Между обоймами до проведения опыта устанавливается небольшой зазор, который необходимо сохранять в течение всего опыта. Таким образом, создается фиксированная плоскость, по которой про-
55
изойдет срез подвижной части грунта относительно неподвижной. Вертикальное нормальное напряжение в плоскости сдвига создается с помощью рычажной системы в предположении, что нормальные напряжения в плоскости сдвига распределены равномерно, т.е. равны вертикальной приложенной силе, деленной на площадь образца. Образец грунта до приложения сдвигающей силы обжимается некоторое время, зависящее от
вида грунта, нормальным напряжением . Нормальное напряжение сохраняется в течение всего опыта постоянным.
Пусть в отдельном данном опыте = i = 0,1 МПа. Будем теперь к подвижной обойме отдельными ступенями прикладывать сдвигающую силу Т через соответствующую рычажную систему. Считается, что касательные напряжения при любой ступени нагружения также распределены в плоскости сдвига равномерно.
Под действием приложенной ступени горизонтальной сдвигающей силы подвижная часть грунта начнет перемещаться относительно неподвижной. Будем ступенями увеличивать силу Т до тех пор, пока не произойдет срез образца. Предельное значение касательного напряжения, при котором наступает непрерывный сдвиг, называют сопротивлением грунта сдвигу. Опыты показывают, что сопротивление грунта сдвигу зависит от величины нормального напряжения, действующего в плоскости сдвига. Чтобы получить сопротивление сдвигу при другом нормальном напряжении, нужно провести другой опыт с образцом грунта, имеющим те же исходные физические характеристики.
Для определения прочностных характеристик грунта проводят серию опытов при различных вертикальных давлениях на образец грунта. Количество опытов должно быть достаточным для статистической обработки результатов. Графическое изображе-
ние результатов сдвиговых испытаний в координатах , τпр показано на рис. 23, а. На рис. 23, б показан график зависимости перемещений по площадке сдвига от величины касательного усилия при его возрастании. Результаты испытаний обычно описываются законом Кулона:
ï ð n tg c .
56
a) |
б) |
Рис. 23. График зависимости:
a – τпр от σ при сдвиге; б – от τпр при сдвиге
Контрольные вопросы
1.Дайте определение понятию гранулометрический состав грунта.
2.Как определяется содержание мелкопесчаной и глинистой фракции
вполевой лаборатории?
3.Как определяется влажность грунта?
4.Как определяется плотность грунта? В каких единицах?
5.Как определяется число пластичности глинистых грунтов?
6.Как по числу пластичности различаются виды глинистых грунтов?
7.Как определяется консистенция глинистых грунтов?
8.Какие разновидности глин выделяются по консистенции?
9.Какие разновидности грунтов выделяются по относительному набуханию?
10.Дайте определение оптимальной влажности. Как она определяется? Где используется?
11.Какие грунты в районе практики можно использовать для возведения насыпи железной дороги?
12.Как определяются деформационные и прочностные характеристики грунтов?
9.ЭКСКУРСИИ В КАМЕННЫЕ КАРЬЕРЫ
9.1. Экскурсия в карьер Борок
Экскурсия в карьер позволяет познакомиться с условиями залегания гранитов в толще песчаников и глинистых сланцев инской серии палеозойских пород.
Карьер Борок расположен в южной части г. Новосибирска на правом берегу р. Ини в 500 м выше ее устья. Карьер заложен в
57
холме древнего острова р. Оби с сосновым бором, откуда и произошло название карьера (отдельные сосны сохранились до настоящего времени).
Карьер Борок представляет собой обнажение верхней части гранитного Новосибирского батолита. В южной и восточной частях карьера можно наблюдать контакт гранитного батолита с вмещающими его песчаниками и глинистыми сланцами.
Контакт четкий, легко прослеживаемый вследствие различного цвета серого гранита и почти черных песчаников и глинистых сланцев.
Песчаники и сланцы вблизи с контактом под действием температуры и давления метаморфизованы, превращены в прочные роговики, а в граните вблизи с контактом содержатся ксенолиты – вплавленные округлые обломки темных роговиков, образованных из обломков песчаников, попавших в расплавленную гранитную магму при ее внедрении.
Гранит представляет собой породу серого и розовато-серого цвета, полнокристаллической структуры. Крупные кристаллы представлены розовато-желтым ортоклазом и белым альбитом. Мелкие кристаллы – зернами водяно-прозрачного кварца, почти черной роговой обманки и чешуек бурого биотита.
Гранит в карьере разбит трещинами остывания на отдельные блоки: параллелепидальные и матрацевидные отдельности и многочисленные тектонические трещины, имеющие характерные признаки скольжения, притирания – зеркала скольжения, покрытые вторичными минералами – зеленоватым хлоритом и серебристым серицитом (мелкочешуйчатым мусковитом).
Гранит и вмещающие его породы пересекаются многочисленными дайками (пластами) пегматита, аплита и диорита.
Дайки пегматита мощностью до 2 м хорошо прослеживаются на фоне отвесной южной стены карьера, в виде светлых наклонных полос. Пегматит состоит из крупных кристаллов светлого ортоклаза, проросшего зернами водяно-прозрачного кварца. В пегматитовых дайках часто встречаются минералы группы сульфидов – пирита, халькопирита и молибденита.
Дайки аплита мощностью от нескольких сантиметров до 1,5– 2,0 м встречаются как в гранитах, так и в песчаниках, часто пересекают друг друга.
58
Макроскопически аплит представляет собой мелкокристаллическую породу, желтовато- и розовато-белого цвета, состоящую из полевых шпатов, чаще альбита и кварца.
Всеверных бортах карьера встречаются дайки серого диорита, состоящего из альбита, роговой обманки и биотита.
Все разновидности изверженных пород, распространенных в карьере Борок, являются разновидностями одной той же герцинской интрузии палеозойской эры.
Кроме перечисленных магматических пород в карьере широко распространены метаморфические породы – роговики.
Роговики – контактово-метаморфические породы, образованные в результате воздействия интрузии магмы на вмещающие породы: песчаники, глинистые сланцы. Роговики имеют плотное зернистое сложение, в их состав входят кварц, слюды, полевые шпаты, цвет обычно черный. По прочностным показателям все породы карьера: гранит, пегматит, аплит, роговики – относят к классу природных скальных грунтов, их предел прочности на одноосное сжатие обычно более 100 МПа.
Внастоящее время максимальная глубина карьера составляет около 40 м, т.е. ниже дна р. Ини на 20 м.
По трещинам в породах из р. Ини происходит поступление воды в карьер.
Всамой глубокой части карьера образовалось озеро. Из озера вода откачивается насосной станцией в русло р. Ини за пределы карьера.
Внаши дни разработка в карьере происходит в западном направлении – в зоне распространения роговика и даек аплитов
(рис. 24).
Разработка грунтов в карьере осуществляется:
1. Срезание дисперсных грунтов (песчаных, глинистых) с поверхности скальных грунтов.
2.На поверхности скальных грунтов по сетке 5 5 м забуриваются скважины глубиной до 10 м.
3.В скважины закладывается взрывчатка. Массив взрывается.
4.Глыбы взорванных пород самосвалами перевозятся на щебеночный завод для дробления, получения разных фракций щебня.
59
Таким образом, в карьере Борок получают щебень, состоящий из обломков гранита, пегматита, аплита и роговиков.
Рис. 24. Общий вид карьера
В карьере следует:
1.Описать минералогический состав гранита, пегматита, аплита и роговиков, отобрать образцы всех разновидностей.
2.Произвести замеры горным компасом элементов залегания даек пегматита и аплита, замерить их мощность.
3.Изучить трещиноватость горных пород, в соответствии с табл. 2 в разных участках карьера определить модуль трещиноватости пород в бортах карьера и степень устойчивости бортов.
4.Пользуясь табл. 11, следует определить степень водопритока воды в штольню протяженностью до 10 м, пройденную в восточной части карьера за насосной станцией в отвесной гранитной стене. Кровля штольни укреплена вертикальными металлическими трубами (опорами). Из трещин кровли в штольню струями поступает вода.
60