(ГОСТ 22733-77).
Цель работы:
Установление зависимости плотности сухого грунта от его влажности при трамбовании образцов.
Оборудование:
1. Прибор Союздорнии для стандартного уплотнения грунтов; 2. Весы для измерения массы частей прибора с предельным значением 10 кг и погрешностью 1г; 3. Весы лабораторные для определения влажности грунта с погрешностью 0,01г; 4. Ступка фарфоровая с резиновым пестиком; 5. Шкаф сушильный; 6. Сито с отверстиями 10мм; 7. Эксикатор; 8. Мерные цилиндры 100 и 500 мл.; 9. Штангенциркуль; 10. Нож лабораторный; 11. Бюксы для взвешивания.
Подготовка прибора к работе:
Подготовка прибора к испытанию должна осуществляться в следующей последовательности:
Устанавливают цилиндр в поддон, не зажимая его винтами;
Устанавливают кольцо на бортик цилиндра;
Зажимают цилиндр попеременно винтами поддона и кольца;
Проверяют размеры цилиндра штангенциркулем; при этом внутренний диаметр и глубина должны быть равны соответственно 100 и 127 мм.
Определяют массу m 4 собранного контейнера (цилиндр с поддоном и кольцом) с погрешностью до 1 г и заносят данные в журнал;
Устанавливают собранный контейнер прибора на жесткое неподвижное основание массой не менее 50 кг.
Ход работы.
1. Пробу грунта массой m 3 =2,5 кг, предварительно высушенную до воздушно-сухого состояния и растертую в ступке пестиком с резиновым наконечником, просеивают через сито 10мм. Из зерен, прошедших сквозь сито, отбирают пробы по 30 г для определения влажности W 1 .
2. Доувлажняют пробы до исходной влажности (W 3), принимаемой равной 4% для песчаных, гравийных грунтов и 8% для глинистых грунтов. Необходимое для доувлажнения пробы грунта количество воды Q определяют по формуле.
где W 1 - влажность пробы грунта до доувлажнения.
3. Вводят необходимое количество воды и тщательно перемешивают грунт.
4. Подготовленную пробу грунта слоями загружают в цилиндр прибора, прижимая грунт трамбовкой. Каждый слой должен иметь высоту 5-6 см и уплотняться 40 ударами груза, при этом стержень трамбовки удерживается в вертикальном положении. Перед укладкой третьего слоя на цилиндр одевают насадку. После уплотнения насадку снимают и срезают грунт заподлицо с торцом цилиндра. Толщина слоя срезаемого грунта не должна быть более 10мм. При большей толщине необходимо испытание повторить.
5. Определяют массу контейнера с грунтом (m 5) с погрешностью до 1г и рассчитывают плотность влажного образца грунта γ с погрешностью до 0,01 г/см 3 по формуле
(19)
где V – емкость цилиндра, равная 1000 см 3 .
6. Снимают поддон и кольцо, раскрывают цилиндр и извлекают уплотненный образец грунта, из верхней, средней и нижней частей отбирают по одной пробе в 30 г для определения влажности.
7. Извлеченный из цилиндра грунт присоединяют к оставшемуся в чашке, растирают, перемешивают и повышают влажность пробы, затем такжезакладывают его в прибор. Испытание считается законченным, если грунт перестает уплотняться и при ударах груза начинает выжиматься из прибора.
8. Результаты испытаний записываются в таблицу 11. По полученным в результате испытания значениям плотности и влажности уплотненных образцов определяют плотность скелета грунта γ ск с погрешностью до 0,01 г/см 3 по формуле:
(20)
9. По полученным данным строят график рис.5 зависимости плотности скелета от влажности грунта. Находят максимум полученной зависимости и соответствующие ему величины максимальной плотности скелета грунта γ макс и оптимальной влажности.W опт.
Рис.7 Схема прибора Союздорнии для стандартного уплотнения грунтов: 1. поддон; 2. разъемный цилиндр емкостью 1000 см 3 ; 3. . кольцо; 4. насадка; 5. наковальня; 6. груз, массой 2,5 кг; 7. направляющий стержень; 8. ограничительное кольцо; 9. зажимные винты.
Таблица 11.
Определение плотности сухогогрунта
РАЗДЕЛ ТЕХНОЛОГИИ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Лабораторная работа № 9
МЕТОДИКА УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ СТАНДАРТНОЙ ПЛОТНОСТИ И ОПТИМАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ВЯЖУЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ.
При определенной оптимальной влажности грунта, смешанного с вяжущим, быстротвердеющие вяжущие типа цемента вносят определенные искажения в результаты испытаний. Время начала твердения цемента и грунта зависит от дисперсности грунта, его минералогического и химического состава. Определенное влияние оказывает также состав цемента и его количество. Влияние грунта на характер твердения цементогрунтовых смесей можно оценить по количеству глинистых частиц. Так, при обработке цементом глин процесс твердения смеси начинается раньше, чем при обработке песков.
Медленнотвердеющее вяжущее типа зол-уносов также оказывает влияние на результаты стандартных испытаний, хотя и в меньшей степени.
В связи с установленным явлением разработана специальная ускоренная методика определения максимальной стандартной плотности и оптимальной влажности смесей грунтов с вяжущими. По этой методике максимальную плотность укрепленного грунта предлагается определять или однократным уплотнением в приборе стандартного уплотнения при оптимальной ее влажности через определенный промежуток времени (например через 2 часа) после увлажнения или же расчетным путем. Оптимальную влажность смеси при этом определяют расчетным путем по значению оптимальной влажности исходного грунта. В основу расчета максимальной плотности и оптимальной влажности укрепленного грунта положены параметры стандартного уплотнения исходного грунта.(см. лабораторную работу№ 9).
Необходимые приборы :
1. Технические весы; 2. Алюминиевые бюксы; 3, Сушильный шкаф с термометром и терморегулятором; 4. Эксикатор с обезвоженным хлористым кальцием (без поглощения влаги); 5. Шпатель.
Техника выполнения работы:
1.Методика ускоренного определения оптимальной влажности и максимальной плотности смеси грунта с минеральными вяжущими (цемент, сланцевая зола-унос.).
В соответствии с методикой, изложенной в лабораторной работе № 9 определяют W опт и γ ск.макс исходного грунта или материала.
Оптимальную влажность смеси грунта с вяжущими W опт см определяют по формуле:
W опт см = W опт +а, (21)
где а- поправочный коэффициент, принимаемый по табл.13 (в зависимости от вида вяжущего материала).
W опт – оптимальная влажность исходного грунта. Оптимальная влажность может быть также установлена расчетным путем по влажности границы текучести:
W опт = α W т (22)
где α – 0,75-0,7 – (песок и супесь легкая)
0,6- 0,55 – (тяжелая супесь, легкие суглинки)
0,5-0,45 – (тяжелые суглинки, глины);
или по влажности границы раскатывания (W р, %)
W опт = W р –в, (23)
где в – 1-2 (тяжелая супесь, легкие суглинки), 2-3 (тяжелые суглинки, глины).
Максимальную плотность смеси грунта с минеральными вяжущими γ ск.макс можно рассчитать по формуле:
γ ск.макс см = γ ск.макс к г (24)
где к г поправочный коэффициент, принимаемый по табл.14;
γ ск.макс максимальная плотность исходного грунта.
Для определения γ ск.макс см опытным путем берут навеску грунта в количестве 2 кг и добавляют в грунт требуемое количество вяжущего. После перемешивания грунта с вяжущим добавляют в смесь воду в количестве, установленном по формуле (21) с учетом гигроскопической влажности исходного грунта. Смесь тщательно снова перемешивают и выдерживают во влажной среде в течение следующего времени:
Для смеси грунта с цементом – 1,5 ч;
Для смеси связного грунта со сланцевой землей-уносом – 5-6 ч;
Для смеси несвязного грунта с золой – 24ч.
По истечении указанного времени производят однократное уплотнение смеси в большом приборе стандартного уплотнения (120 ударов на 3 слоя смеси). Полученные значения средней плотности скелета принимают за максимальную плотность укрепленного грунта γ ск.макс см
Таблица 12
Значение коэффициента α
Таблица 13
Значение коэффициента К
Лабораторная работа № 10
Зная величины ρ , ρ s и W можно вычислить ряд производных характеристик грунта:
Плотность сухого грунта ρ d – отношение массы скелета грунта (исключая воду в порах) m s к объему этого грунта V о:
, т/м 3; где: ρ – плотность грунта, г/см 3 ; w – влажность грунта, %.
Пористость грунта
n
– отношение объема пор V пор к объему всего грунта V 0: 
;
где: ρ – плотность грунта, г/см 3 ; ρ d – плотность сухого грунта, г/см 3 ; ρ s – плотность частиц грунта, г/см 3 ; w – влажность грунта, %.
Коэффициент пористости е – отношение объема пор V пор к объему частиц грунта V 0:
Песчаные грунты по плотности их сложения разделяют, в зависимости от коэффициента пористости на: Прочные (плотные) Средней прочности (средней плотности); Малопрочные (рыхлые).
Степень влажности S r – доля заполнения пор грунта водой - отношение влажности W к полной влагоемкости грунтов W sat:
где: ρ w – плотность воды, г/см 3 . По степени влажности грунты бывают: а) маловлажные (0
Оптимальные параметры грунта определяются в приборе предварительного уплатнения грунта. В прибор слоями укладывают грунт и каждый слой уплотняется 30-40 ударами груза, падающего с одинаковой высоты.
Влажность, при которой достигается мах. Возможный эффект уплотнения называется оптимальной влажностью.
Плотность скелета грунта, достигнутая при мах. Влажности, называется оптимальной плотностью грунта.
5.Деформируемость грунтов.Компрессионная зависимость и её анализ.
Сжимаемость грунтов – способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления. Степень сжимаемости грунтов зависит от структуры грунта и является важной характеристикой механических свойств грунта, которая используется для расчета осадок зданий и различных сооружений. Сжимаемость грунтов обусловлена изменением их пористости при приложении нагрузки и происходит за счет возникновения взаимных сдвигов частиц. Уменьшения толщины водно-коллоидных пленок отжатия воды в водонасыщенных грунтах и за счет разрушения кристаллизационных связей в сильно структуированных грунтах. В связи с тем, что сжимаемость грунтов связана с уменьшением их пористости, в механике грунтов принято характеризовать сжимаемость грунта зависимостью коэффициента пористости от уплотняющего давления . Эта зависимость называется компрессионной и определяется в лабораторных условиях экспериментально в приборах двух типов:
-одометре (приборе одноосного сжатия с жесткими боковыми стенками обоймы, в которую заключен образец грунта) называемым также компрессионным прибором;
-стабилометре (приборе трехосного сжатия с эластичными боковыми стенками, в которые заключен грунт).
Уплотнение грунтов с которых сооружается з.п., явл-ся одним из важнейших технических процессов в результате которого достигается расчетная прочность, устойчивость и стабильность дорожной конструкции в целом в процессе будущих эксплуатации. Возведение насыпей без послойного уплотнения допускается только в отдельных случаях:
1) в насыпях на болотах;
2) в насыпях ч/з водослив;
3) при возведении насыпи методом гидронамыва с одномерных мелких барханных песков;
Плотность грунта уплотненного в конструкцию оценивается коэффициентом уплотнения кот. Представляет собой отношение фактической плотности грунта насыпи к максимальной стандартной при оптимальной влажности (метод стандартного уплотнения)
К у= ρ d /ρ max, ρ d = ρ/(1+0,01W)
Требуемая плотность грунтов в насыпи может быть достигнута при оптимальной влажности. Наибольшая плотность грунта может быть достигнута при применении машин и механизмов обеспечивающая максимально допустимое по условиям прочности для данного грунта контактное давление. Для определенияния оптимальной толщины уплотняемого слоя и количество проходов по одному следу следует производить пробное уплотнение или пользоваться эмпирическими зависимостями руководствуясь теоретическими предпосылками:
1) грунтовый массив в насыпи представляет собой 3-х фазную систему;
2) о степени сближения элементов твердой фазы для данного грунта можно судить только по плотности сухого грунта, при уплотнении грунта увеличение плотности может идти только за счет удаления газообразной фазы и частично за счет отжатая жидкой фазы;
3) важным явл-ся вопрос о требуемой плотности(должна обеспечивать не обходимую сопротивляемость грунта воздействию напряжений от нагрузок и погодно климатических факторов);
4) наибольшее распространение получил эмпирический метод назначение требуемой плотности
ρ ск тр =К у ρ ск max
Для определения максимальной плотности проводят испытания грунта в приборе стандартного уплотнения(грунт уплотняется в цилиндре послойно путем тромбования с помощью падающего груза) В результате испытаний получают кривую стандартного уплотнения (зависимость плотности сухого грунта от влажности)
Требуемая минимальная плотность сложения сухого грунта d , г/см 3 , т/м 3 , должна быть такой, чтобы грунт насыпи при воздействии временных поездных нагрузок работал практически в упругой стадии.
Требуемую в земляном полотне для песчаных и глинистых грунтов плотность сложения сухого грунта d определяют по формуле:
где k – минимальный коэффициент уплотнения, для верхней и для нижней частей, см. табл.5.4 стр.297 ;
Максимальная плотность сухого грунта, т/м 3 .
Таким образом:
Плотность грунта насыпи с учётом влажности определяется по формуле:
где: - оптимальная влажность.
Удельный вес грунта насыпи определяется по формуле:
Защитный слой – слой дренирующего грунта, который должен иметь соответствующий коэффициент уплотнения и толщину такую, чтобы под ним не возникали пластические деформации. Защитный слой укладывается под основную площадку для предотвращения пучения.
Согласно СТН Ц-01-95 толщина защитного верхнего слоя h защ для насыпи, отсыпанной супесью составляет 0,5-0,7 м. К расчету принята величина h защ =0,5 м. Защитный слой отсыпается из песчано-гравийной смеси с параметрами: с = 1 кПа; φ=33º.
Максимальная плотность (стандартная плотность) - наибольшая плотность сухого грунта, которая достигается при испытании грунта методом стандартного уплотнения.
Оптимальная влажность - значение влажности грунта, соответствующее максимальной плотности сухого грунта.
Поскольку при нарушении структурных связей грунта его свойства изменяются, необходимо изучать состояние грунта при ненарушенной структуре. Для этого в процессе инженерно-геологических изысканий из шурфов и скважин отбирают монолиты - большие образцы грунта ненарушенной структуры. Из этих монолитов в лабораторных условиях берут меньшие образцы и экспериментально определяют три основные характеристики:
· плотность (объемную массу) грунта ρ естественной (ненарушенной) структуры, равную отношению массы образца грунта к его объему;
· плотность (объемную массу) твердых частицгрунта ρ s равную отношению массы твердых частиц к их объему;
· природную весовую влажность грунта ω, равную отношению массы содержащейся в нем воды к массе твердых частиц.
Рис. 1.3. Схема составных частей (компонентов) образца грунта
Выделим из грунта образец объемом V = 1 см 3 и мысленно разделим его на две части: одну, занятую твердыми частицами, объемом V 1 , и другую, занятую порами, расположенными между этими частицами, объемом V 2 (рис. 1.3). Пространство, занятое порами, можно разделить в общем случае также на две части, одна из которых занята водой, другая - воздухом. Пусть масса твердых частиц в объеме V будет g 1 , а масса воды - g 2 (масса воздуха не оказывает влияния на результаты расчетов).
В соответствии с определениями
Плотность грунта определяют взвешиванием чаще всего по образцу, взятому в режущее кольцо, иногда парафинировавшем или другими методами, в т. ч. путем гамма-каротажа. Плотность твердых частиц находят с помощью пикнометра. Влажность грунта устанавливают взвешиванием образца естественной влажности до и после высушивания (до постоянной массы) при температуре 105°С.
Целью искусственного уплотнения грунтов является повышение их прочности, снижения водопроницаемости и высоты капиллярного поднятия, а также уменьшение неравномерности и ускорение осадок. Уплотнение насыпных грунтов, содержащих в порах воду и воздух, происходит, в основном, не за счет вытеснения воды, а за счет вытеснения воздуха при сближении частиц, поэтому на процесс уплотнения большое влияние оказывает влажность грунта. При повышении влажности до определенного предела плотность грунта увеличивается при одинаковой затрате уплотняющей энергии. При дальнейшем увеличении влажности плотность уменьшается при затрате такого же количества работы (см. рис.5).
За показатель степени уплотнения грунта обычно принимают плотность грунта в сухом состоянии ρ d .
Рис. 6. Зависимость плотности ρ d от количества ударов nпри постоянной влажности
В лабораторных условиях определение оптимальной влажности и соответствующих ей максимальной плотности производится с помощью прибора стандартного уплотнения (рис. 7). Такое стандартное уплотнение соответствует влажности и плотности, получаемым при уплотнении грунтов катками среднего веса в производственных условиях.
Сущность метода стандартного уплотнения состоит в определении оптимальной влажности грунта w opt , при которой достигается наибольшее его уплотнение (максимальное значение плотности грунта в сухом виде ρ d ). В приборе СоюздорНИИ производится серия отдельных испытаний по послойному (в три слоя) трамбованию грунта с последовательным увеличением его влажности w, но при постоянном количестве ударов (120 ударов, т.е. по 40 ударов на каждый из трех слоев) грузов, массой 2,5 кг, свободно падающего с высоты 300мм. Для песчаных и гравийных грунтов первое испытание производится при исходной влажности 4%, а в последующих испытаниях влажность последовательно увеличивается на 1-2%. Аналогично для глинистых грунтов испытания проводятся при исходной влажности 8% с последующим увеличением ее на 2-3%.
Рис. 7. Прибор стандартного уплотнения СоюздорНИИ
Испытание грунта производится в следующем порядке:
– подготовленная проба грунта массой 2,5 кг слоями загружается в цилиндр прибора, причем каждый слой уплотняется 40 ударами груза;
При этом стержень трамбовки удерживается в вертикальном положении (перед укладкой третьего слоя на цилиндр надевается насадка);
– после уплотнения третьего слоя насадка снимается и выступающая часть образца срезается заподлицо с торцом цилиндра;
– определяется плотность влажного образца грунта по формуле:
где m 0 – масса собранного контейнера (цилиндр с поддоном и кольцом) г;
m 1 – масса контейнера с грунтом, г;
V – емкость цилиндра, см 3 ;
– раскрывается цилиндр и из верхней, средней и нижней частей образца отбирается по одной пробе (массой не менее 30г) для определения влажности грунта (см. работу 2).
Затем путем добавления определенного количества воды (см. приложение 2) повышается влажность грунта, и проводятся последующие испытания. Испытания следует считать законченными тогда, когда с повышением влажности пробы последующих двух, трех испытаниях на уплотнение происходит последовательное уменьшение значений плотности уплотненных образцов грунта.
По полученным в результате испытаний значениями плотности и влажности уплотненных образцов определяется плотность грунта в сухом состоянии:
Строится график зависимости плотности сухого грунта от влажности (см. рис. 5), находятся максимум полученной зависимости и соответствующие ему величины максимальной плотности сухого грунта (ρ d мах ) с точностью 0.01 г/см 3 и оптимальной влажности (w opt ) с точностью 0.1%.
Максимальная плотность, получаемая при стандартном уплотнении, принимается за исходную величину при оценке плотности приискусственном уплотнении грунтов.
Отношение плотности сухого грунта к максимальной плотности сухого грунта ρ d мах называется коэффициентом стандартного уплотнения:
Требуемая минимальная плотность насыпи определяется путем умножения на коэффициент К Tab (К Tab =К с) , принимаемый по СНиП 2.05.02-85 в зависимости от расположения слоя грунта по высоте насыпи, типа покрытия, дорожно – климатической зоны и условий насыпи.
Определение оптимальной влажности и максимальной плотности обязательно при работах: по воздействию насыпей; окончательной отделке земляного полотна; устройству дорожных одежд и грунтовых подушек в основаниях сооружений.
В лаборатории преподавателем проводится демонстрационный опыт по уплотнению грунта при одном значении влажности. Для построения зависимости ρ d =f(w) используется данные таблицы 13.
1. По указанию преподавателя по данным непосредственного определения по описанной выше методике (см. приложение 2) или по заданным в табл. 13 значениями массы контейнера с грунтом m 1 и влажности w для серии из шести опытов определить значения плотности грунта в сухом состоянии (формула 23); результаты записать в журнал (форма 13).
2. Построить кривую стандартного уплотнения (форма 14).
3. Определить значения максимальной плотности сухого грунта и оптимальной влажности w opt ; результаты записать в журнал (форма 15).
Таблица 13
Примечание:
Масса собранного контейнера m 0 =3600 г; емкость цилиндра V =1000см 3 .
