Максимальна щільність ґрунту оптимальної вологості. Визначення максимальної щільності ґрунтів
ГОСТ 22733-2002
МІЖДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ
ГРУНТИ
Метод лабораторного визначення
максимальної щільності
МІЖДЕРЖАВНА НАУКОВО-ТЕХНІЧНА КОМІСІЯ
З СТАНДАРТИЗАЦІЇ, ТЕХНІЧНОГО НОРМУВАННЯ
І СЕРТИФІКАЦІЇ У БУДІВНИЦТВІ (МНТКС)
Москва
Передмова
1 РОЗРОБЛЕН Державним дорожнім науково-дослідним інститутом (ФГУП «СоюздорНДІ»)
ВНЕСЕН Держбудом Росії
2 ПРИЙНЯТЬ Міждержавною науково-технічною комісією зі стандартизації, технічного нормування та сертифікації у будівництві (МНТКС) 24 квітня 2002 р.
|
Найменування держави |
Найменування органу державного управліннябудівництвом |
|
Азербайджанська республіка |
Держбуд Азербайджанської Республіки |
|
Республіка Арменія |
Міністерство містобудування Республіки Вірменія |
|
Киргизька Республіка |
Державна інспекція з архітектури та будівництва при Уряді Киргизької Республіки |
|
Республіка Молдова |
Міністерство екології, будівництва та розвитку територій Республіки Молдова |
|
Російська Федерація |
Держбуд Росії |
3 ВЗАМІН ГОСТ 22732-77
4 Введено в дію з 1 липня 2003 р. як державний стандарт Російської Федерації постановою Держбуду Росії від 27 грудня 2002 р. № 170
ГОСТ 22733-2002
МІЖДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ
ГРУНТИ
Метод лабораторного визначення максимальної густини
SOILS.
Laboratory метод для визначання максимальної density
Дата введення 2003-07-01
1 Область застосування
Цей стандарт поширюється на природні та техногенні дисперсні ґрунти та встановлює метод лабораторного визначення максимальної щільності сухого ґрунту та відповідної їй вологості при їх дослідженні для будівництва.
Стандарт не поширюється на органо-мінеральні та органічні ґрунти та ґрунти, що містять частинки більше 20 мм.
2 Нормативні посилання
У цьому стандарті використані посилання на такі стандарти:
ГОСТ 166-89 Штангенциркулі. Технічні умови
ГОСТ 427-75 Лінійки вимірювальні металеві. Технічні умови
ГОСТ 1770-74 Посуд мірний лабораторний скляний. Циліндри, мензурки, колби, пробірки. Загальні технічні умови
ГОСТ 5180-84 Ґрунти. Методи лабораторного визначення фізичних характеристик
ГОСТ 8269.0-97 Щебінь та гравій із щільних гірських порід та відходів промислового виробництва будівельних робіт. Методи фізико-механічних випробувань
ГОСТ 9147-80 Посуд та обладнання лабораторні фарфорові. Технічні умови
ГОСТ 12071-2000 Грунти. Відбір, упаковка, транспортування та зберігання зразків
ГОСТ 23932-90 Посуд та обладнання лабораторні скляні. Загальні технічні умови
ГОСТ 24104-2001 Ваги лабораторні. Загальні технічні вимоги
ГОСТ 25100-95 Ґрунти. Класифікація
ГОСТ 29329-92 Ваги для статичного зважування. Загальні технічні вимоги
ГОСТ 30416-96 Грунти. Лабораторні випробування. загальні положення.
3 Визначення
У цьому стандарті застосовано такі терміни з відповідними визначеннями.
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.
Стандартне ущільнення - пошарове (в три шари) ущільнення зразка ґрунту з постійною роботоюущільнення.
Графік стандартного ущільнення - графічне зображеннязалежності зміни щільності сухого ґрунту від вологості при випробуванні методом стандартного ущільнення.
Інші терміни, що використовуються в цьому стандарті, наведені в ГОСТ 5180, ГОСТ 12071, ГОСТ 25100, ГОСТ 30416.
4 Загальні положення
4.1 Метод стандартного ущільнення полягає у встановленні залежності щільності сухого ґрунту від його вологості при ущільненні зразків ґрунту з постійною роботою ущільнення та послідовним збільшенням вологості ґрунту.
Результати випробування оформляють як графіка стандартного ущільнення.
4.2 Загальні вимоги до лабораторних випробувань ґрунтів, обладнання, приладів та лабораторних приміщень наведені в ГОСТ 30416 .
4.3 Для випробування ґрунту методом стандартного ущільнення використовують зразки ґрунту порушеного складання, відібрані з гірничих виробок (шурфів, котлованів, свердловин і т.п.), в оголеннях або в складованих масивах передбачуваного для використання в спорудах ґрунту відповідно до вимог ГОСТ 12071 .
4.4 Число послідовних випробувань ґрунту при збільшенні його вологості має бути не менше п'яти, а також достатнім для виявлення максимального значення щільності сухого ґрунту за графіком стандартного ущільнення.
4.5 Розбіжність між результатами паралельних визначень, отриманими в умовах повторюваності, виражена у відносних одиницях, не повинна перевищувати для максимального значення щільності сухого грунту 1,5 %, для оптимальної вологості - 10 %.
Якщо розбіжності перевищують допустимі значення, слід проводити додаткове випробування.
5 Обладнання та прилади
5.1 До складу установки для випробування ґрунту методом стандартного ущільнення повинні входити:
пристрій для механізованого або ручного ущільнення ґрунту вантажем, що падає з постійної висоти;
форма для зразка ґрунту.
Принципова схема установки наведена у додатку.
Примітка - Дозволяється застосовувати установки інших конструкцій за умови проведення порівняльних випробувань для кожного різновиду ґрунту.
5.2 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.
5.3 При механізованому способі ущільнення до складу пристрою повинен входити механізм підйому вантажу на постійну висоту та лічильник числа ударів.
5.4 Форма для зразка ґрунту повинна складатися з циліндричної частини, піддону, затискного кільця та насадки.
5.5 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.
5.6 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.
5.7 При випробуванні ґрунту методом стандартного ущільнення застосовують такі засоби вимірювання, допоміжне обладнання та інструменти:
ваги для статичного зважування на 2-5 кг середнього класу точності за ГОСТ 29329;
ваги лабораторні на 0,2-1,0 кг 4-го класу точності за ГОСТ 24104;
лінійка довжиною не менше 300 мм за ГОСТ 427;
циліндри мірні місткістю 100 мл і 50 мл з ціною розподілу не більше 1 мл за ГОСТ 1770;
чашки металеві для випробувань місткістю 5 л;
стаканчики для зважування ВС-1 із кришками;
пристрій розтиральний або ступка фарфорова з маточкою за ГОСТ 9147;
шафа сушильна;
набір сит з діаметром отворів 20, 10 та 5 мм;
ексікатор Е-250 за ГОСТ 23932;
шпатель металевий;
ніж лабораторний із прямим лезом довжиною не менше 150 мм.
5.8 Лабораторні ваги повинні забезпечувати зважування ґрунту та форми в процесі випробування з похибкою ±1 г.
5.9 Засоби вимірювань повинні пройти перевірку або калібрування, а випробувальне обладнання має бути атестоване у встановленому порядку.
6 Підготовка до випробування
6.1 Підготовка проби ґрунту
6.1.1 Необхідна для підготовки проби ґрунту маса зразка ґрунту порушеного додавання 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.
6.1.2 Поданий для випробування зразок ґрунту порушеного додавання висушують при кімнатній температуріабо в сушильній шафідо 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.
6.1.3 Роздрібнюють агрегати ґрунту (без дроблення великих частинок) у розтиральному пристрої або у фарфоровій ступці.
6.1.4 Грунт зважують (mр) і просіюють через сита з отворами діаметром 20 мм та 10 мм. При цьому вся маса ґрунту має пройти через сито з отворами діаметром 20 мм.
6.1.5 Зважують відсіяні великі частки ( m k).
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.
6.1.6 З відсіяних великих частинок відбирають проби для визначення їх вологостіw kта середньої щільності частинокrkза ГОСТ 8269.0.
6.1.7 З ґрунту, що пройшов через сито, відбирають проби для визначення його вологості в повітряно-сухому станіw gза ГОСТ 5180.
6.1.8 Обчислюють вміст у ґрунті великих частинок До, %, з точністю 0,1 % за формулою
, (1)
де m k - Маса відсіяних великих частинок, г;
w g- вологість просіяного ґрунту в повітряно-сухому стані, %;
тp - маса зразка ґрунту в повітряно-сухому стані, г;
w k - Вологість відсіяних великих частинок, %.
6.1.9 Відбирають із просіяного ґрунту методом квартування пробу ґрунту для випробування (Т ¢ p) масою 2500 р.
Дозволяється проводити весь цикл випробувань з використанням однієї відібраної проби.
При випробуванні ґрунтів, що містять частинки, що легко руйнуються при ущільненні, відбирають кілька окремих проб. У цьому випадку кожну пробу випробовують лише один раз.
6.1.10 Поміщають відібрану пробу у металеву чашку для випробувань.
6.1.11 Розраховують кількість води Q, г, для зволоження відібраної проби до вологості першого випробування за формулою
, (2)
де т¢ p - маса відібраної проби, г;
w 1 - вологість ґрунту для першого випробування, що призначається за таблицею, %;
w g - вологість просіяного ґрунту в повітряно-сухому стані, %.
(Друкарська помилка.)
Таблиця 1
6.1.12 У відібрану пробу ґрунту вводять розраховану кількість води за кілька прийомів, перемішуючи ґрунт металевим шпателем.
6.1.13 Переносять пробу грунту з чашки в ексикатор або посудину, що щільно закривається, і витримують її при кімнатній температурі не менше 2 годин для незв'язних грунтів і не менше 12 год - для зв'язкових грунтів.
6.2 Підготовка установки для випробування
6.2.1 Зважують циліндричну частину форми ( т з).
6.2.2 Встановлюють циліндричну частину форми на піддон, не затискаючи гвинтами.
6.2.3 Встановлюють затискне кільце на верхній борт циліндричної частини форми.
6.2.4 Затискають циліндричну частину форми поперемінно гвинтами піддону та кільця.
6.2.5 Протирають внутрішню поверхню форми ганчіркою, змоченою гасом, мінеральним маслом або технічним вазеліном.
6.2.6 Встановлюють зібрану форму на плиту основи.
6.2.7 Перевіряють співвісність напрямної штанги та циліндричної частини форми та вільний хід вантажу по напрямній штанзі.
7 Проведення випробування
7.1 Випробування проводять, послідовно збільшуючи вологість грунту проби, що випробовується. При першому випробуванні вологість грунту повинна відповідати значенню, встановленому в . При кожному наступному випробуванні вологість ґрунту слід збільшувати на 1 - 2% для незв'язних ґрунтів та на 2 - 3% - для зв'язних ґрунтів.
Кількість води для зволоження проби, що випробовується, визначають за формулою (), приймаючи в ній заw gі w 1 відповідно вологості при попередньому та черговому випробуваннях.
7.2 Випробування проби ґрунту проводять у наступному порядку:
Переносять пробу з ексікатора металеву чашку і ретельно перемішують;
Завантажують у зібрану форму з проби шар ґрунту завтовшки 5-6 см і злегка ущільнюють рукою його поверхню. Виробляють ущільнення 40 ударами вантажу по ковадлі з висоти 30 см, зафіксованої на напрямній штанзі. Аналогічну операцію виробляють з кожним із трьох шарів ґрунту, що послідовно завантажуються у форму. Перед завантаженням другого і третього шарів поверхня 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, не повинна бути більше 10 мм.
Примітка - Якщо виступаюча частина ґрунту перевищує 10 мм, необхідно виконати додаткове число ударів із розрахунку один удар на 2 мм перевищення.
7.3 Зразки поглиблення, що утворюються після зачистки поверхні, внаслідок випадання великих частинок заповнюють вручну грунтом з частини відібраної проби, що залишилася, і вирівнюють ножем.
7.4 Зважують циліндричну частину форми з ущільненим ґрунтом ( т i) і обчислюють щільність ґрунтуr i, г/см 3 за формулою
, (3)
де m i - маса циліндричної частини форми з ущільненим ґрунтом, г;
т с -маса циліндричної частини форми без ґрунту, г;
V - місткість форми, см 3 .
7.5 Витягають із циліндричної частини форми ущільнений зразок ґрунту. При цьому з верхньої, середньої та нижньої частин зразка відбирають проби для визначення вологості ґрунту ( w i) no ГОСТ 5180 .
Витягнутий з форми грунт приєднують до частини проби, що залишилася в чашці, подрібнюють і перемішують. Розмір агрегатів не повинен перевищувати найбільшого розміручастинок ґрунту, що випробовується.
Підвищують вологість проби згідно з . 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.
7.6 Друге та подальші випробування ґрунту слід проводити відповідно до - .
7.7 Випробування слід вважати закінченим, коли з підвищенням вологості проби при наступних двох випробуваннях відбувається послідовне зменшення значень маси та щільності ущільнюваного зразка ґрунту, а також коли при ударах відбувається віджимання води або виділення розрідженого ґрунту через сполуки форми.
Примітка - Ущільнення однорідних по гранулометричному складу і дренирующих грунтів припиняють після появи води в з'єднаннях форми незалежно від ударів при ущільненні зразка.
7.8 У процесі випробування ведуть журнал, форму якого наведено у додатку .
8 Обробка результатів
8.1 За отриманими в результаті послідовних випробувань значеннями щільності та вологості ґрунту обчислюють значення густини сухого ґрунту r di, г/см 3 з точністю 0,01 г/см 3 за формулою
, (4)
де r i- щільність ґрунту, г/см 3 ;
w i- вологість ґрунту при черговому випробуванні, %.
8.2. Будують графік залежності зміни значень щільності сухого ґрунту від вологості (додаток ). За найвищою точкою графіка для зв'язкових ґрунтів знаходять значення максимальної густини (r d max) та відповідне йому значення оптимальної вологості (w opt).
8.3 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 w i, при якій відбувається віджимання води. Значення максимальної щільності приймають відповідною їй ординаті. При цьому 1,0% приймають для пісків гравистих, великих та середньої крупності; 1,5% - для дрібних та пилуватих пісків.
були видалені з проби, то для обліку впливу їх складу коригують встановлене відповідно до значення максимальної щільності сухого грунту. r ¢ d maxза формулою
, (5)
де p k - щільність великих частинок, г/см 3;
До- вміст великих частинок у ґрунті, %.
Значення оптимальної вологості ґрунтуw¢ opt, %, визначають за формулою
w¢ opt = 0,01w opt(100 - K). (6)
8.5. Для контролю правильності випробування зв'язкових ґрунтів будують «лінію нульового утримання повітря», що показує змінущільності сухого ґрунту від вологості при повному насиченні його пір водою.
Пари чисел r diі w iдля побудови «лінії нульового утримання повітря» при щільності частинок ґрунтуr sвизначають, задаючи значення вологості, за формулою
, (7)
де r s - щільність частинок грунту, що визначається за ГОСТ 5180 г/см 3 ;
r w- Щільність води, рівна 1 г/см 3 .
Допускається приймати кілька чиселr diі w i за додатком.
Низхідна частина графіка стандартного ущільнення має перетинати «лінію нульового вмісту повітря».
8.6 При необхідності порівняння або приведення значень максимальної щільності та оптимальної вологості ґрунту до значень, отриманих методами Проктора, допускається використовувати перехідні коефіцієнти, наведені у додатку .
Принципова схема установки для випробування ґрунту методом стандартного ущільнення
1 - Піддон; 2 - Роз'ємна форма; 3 - затискне кільце; 4 - насадка; 5 - ковадло; 6 - вантаж масою 2,5 кг; 7 - напрямна штанга; 8 - обмежувальне кільце; 9 - затискні гвинти; 10 - зразок ґрунту
МалюнокA.1
ДОДАТОК Б
(рекомендоване)
Журнал випробування ґрунту методом стандартного ущільнення
|
ОБ'ЄКТ ________________________________________________________________ Місце відбору ґрунту ______________________________________________________ Глибина відбору ґрунту (м) _____________ потужність шару ґрунту (м) _____________ Різновид грунту _____________________________________________________ Дата відбору ______________________________________________________________ Маса проби ґрунту, що пройшов через сито з отворами діаметром 20 мм (після подрібнення)m p, г __________________________________________________________ Дані залишку на ситі частинок (після просіювання проби): а) маса великих частинокm k, г ____ б) вологість великих частинокw k, % ____ в) середня щільність великих частинокr k, г/см 3 ________________________________ Вологість пройшов через сито грунтуw g, % _______________________________ Маса відібраних для випробування проб ґрунтуm p, кг ___________________________ Максимальна щільність сухого ґрунтуr d max, г/см 3 ____________________________ Оптимальна вологість ґрунтуw opt, % _______________________________________ Максимальна щільність сухого ґрунту з урахуванням частинок більше 5 або 10 мм.r ¢ d max, г/см 3 ______________________________________________________________________ Оптимальна вологість грунту з урахуванням частинок більше 5 або 10 мм w¢ opt, % ______ Дата випробування ________________________ (початок) ___________________ (кінець) |
Таблиця Б.1
|
№ випробування |
Визначення густини |
Визначення вологості |
Щільність сухого ґрунту, г/см 3 (по ) |
||||||||
|
Маса, г |
Щільність ґрунту, г/см 3 (по ) |
№ стаканчика для зважування |
Маса, г |
Вологість w, % |
|||||||
|
форми т з |
форми з ущільненим ґрунтомm i |
ущільненого ґрунтуm i - т з |
порожнього стаканчика |
стаканчика з вологим ґрунтом |
стаканчика з сухим ґрунтом |
абсолютна |
середня |
||||
Зразок графічного оформлення результатів випробування ґрунту методом стандартного ущільнення
Масштаб графіків: по горизонталі 1 см – 1 % дляw;
по вертикалі 1 см - 0,02 г/см 3 дляr d
Малюнок В.1
ДОДАТОК Г
(довідкове)
Таблиця пар чисел вологості w iта щільності сухого ґрунту r diдля побудови «лінії нульового утримання повітря»
Таблиця Р.1
|
Вологість w i, % |
Щільність сухого ґрунтуr di, г/см 3 при щільності частинок грунтуr s |
||||
|
2,58 |
2,70 |
2,74 |
|||
|
2,45 |
|||||
|
2,13 |
2,15 |
||||
|
2,08 |
2,11 |
||||
|
2,04 |
2,06 |
||||
|
2,00 |
2,02 |
||||
|
1,96 |
1,98 |
||||
|
1,92 |
1,94 |
||||
|
1,89 |
1,91 |
||||
|
1,85 |
1,87 |
||||
|
1,82 |
1,83 |
||||
|
1,78 |
1,80 |
||||
|
1,75 |
1,77 |
||||
|
1,73 |
1,74 |
||||
|
1,65 |
1,67 |
1,69 |
1,69 |
1,71 |
|
|
1,62 |
1,65 |
1,65 |
1,66 |
1,68 |
|
|
1,60 |
1,62 |
1,63 |
1,64 |
1,65 |
|
|
1,57 |
1,59 |
1,60 |
1,61 |
1,63 |
|
|
1,54 |
1,57 |
1,58 |
1,59 |
1,60 |
|
|
1,52 |
1,54 |
1,55 |
1,56 |
1,57 |
|
|
1,50 |
1,52 |
1,53 |
1,54 |
1,55 |
|
|
1,48 |
1,50 |
1,51 |
1,51 |
1,53 |
|
|
1,45 |
1,48 |
1,49 |
1,49 |
1,50 |
|
|
Примітка - Щільність частинок ґрунтуr sвизначають за ГОСТ 5180 або приймають залежно від різновиду ґрунту. |
|||||
w opt
r d max
w opt
r d max
w opt
r d max
w opt
Метод Проктора стандартний
1,0
1,0
0,99
1,02
0,96
1,03
0,97
1,02
Метод проктора модифікований
1,02
0,87
1,05
0,84
1,06
0,85
1,06
0,88
Примітка- Приведення значень максимальної щільності та оптимальної вологості для основних різновидів ґрунтів, що визначаються методом стандартного ущільнення, до значень, одержаних методами Проктора, здійснюють шляхом множення на відповідні коефіцієнти, наведені в таблиці.
Ключові слова : щільність ґрунту,щільність сухого ґрунту, вологість ґрунту, стандартна щільність, оптимальна вологість ґрунту, графік стандартного ущільнення
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 ємністюне менше 5л;
циліндри мірні з носиком ємністю 100 і 500мл;
лопаточка кельм;
лінійка металева завдовжки 30см;
штангенциркуль;
бюкси (склянки).
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 грунтів 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.
Друге та подальші випробування ґрунту на ущільнення повинні проводитися аналогічно першому.
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.
Для ґрунту, що знаходиться у трифазному стані (скелет + вода + повітря), без урахування його структурних особливостей одиничний обсяг складе:
ρск/ρ+Wρск/100+σ/100=1,
де ρ - щільність ґрунту, г/см 3 ; W - вологість ґрунту, %; σ - обсяг повітря, що залишається у порах ґрунту після ущільнення, %; 1-поодинокий обсяг ґрунту (1 см 3); ρск - щільність сухого ґрунту, г/см 3 .
Звідси, основну характеристику ущільнення ґрунту (у сухому стані), тобто його густину визначають за формулою
ρск =(1-σ) ρ/(100+Wρ).
Щільність ґрунту, вологість та вміст повітря залежать від його генези, ступеня дисперсності, природних умовмісцевості, навантаження від коліс автомобілів та інших чинників. Щільність пилуватого супіску становить 2,66 г/м 3 легкої - 2,68, легкого пилуватого суглинку - 2,69 і важкого суглинку - 2,71, пилуватої глини -2,72 і жирної глини -2,71. Залежно від зернистості ґрунтів змінюється і вміст повітря: у піщаних ґрунтах - 8-10 %, у супіщаних -6-8 %,
у суглинках, зокрема і чорноземних, - 4-5 % й у жирних глинах - 4-6 %.
Вплив вологості значніший для дисперсного грунту. Високодисперсні ґрунти широко поширені в СРСР. Такі грунти мають велику питому поверхню, високе значення вологоємності і морозного пученняі т. д. (Гл. 7.2).
Оптимальна вологість Wо - вологість, що відповідає максимальній щільності ґрунту ρmax при найменшій витраті енергії на ущільнення. При такій вологості вода в порах ґрунту знаходиться в адсорбованому стані і пористість відповідає об'єму води, що знаходиться в ній, тобто ґрунт являє собою, згідно з механікою ґрунтів, ґрунтову масу (див. рис. 11.2).
Мал. 11.2. Залежність між вологістю та щільністю сухого ґрунту
Зони; А – з вологістю менш оптимальною; Б – з оптимальною вологістю; С - з вологістю вище оптимальної
У СРСР розроблено стандартний метод визначення значень Wо і ρmax, що детально розглядається в курсі ґрунтознавства та механіки ґрунтів. Характерні для стандартного ущільнення графіки залежності густини сухого ґрунту від вологості представлені на рис. 11.3.
Мал. 11.3. Вплив ущільнюючої енергії та вологості на щільність сухого ґрунту 1 - метод стандартного ущільнення (СРСР); 2 - посилене ущільнення за модернізованим методом Проктора (США); 3 - лінія з ґрунтовими порами, заповненими капілярною водою (ґрунтова маса)
Якщо витратити більше енергії на ущільнення, то знизиться об'єм затисненого повітря та води, а тому підвищиться щільність ґрунту. Криві залежності між щільністю та вологістю розташовуватимуться ближче до верхнього лівого кута графіка. Поєднавши між собою точки найбільших значень щільності сухого ґрунту рік, отримаємо пряму під кутом до горизонталі, що характеризує хід зміни оптимальної вологості (див. рис. 11.3). Для підвищення модуля пружності ґрунтів у багатьох країнах прагнуть підвищити вимоги до густини. Зокрема, у США ґрунти ущільнюють за меншого значення оптимальної вологості, ніж у СРСР, за рахунок більшої витрати енергії на ущільнення (крива 2). Але при збільшенні вологості вище оптимального значення різко знижується щільність сухого ґрунту, причому характер зниження абсолютно однаковий незалежно від енергії, витраченої на ущільнення (криві 3).
Максимальна щільність ґрунту за методом стандартного ущільнення. Критерій «максимальна щільність» відповідає механічному ущільненню, наприклад, пов'язаних ґрунтів, коли вся вода в них знаходиться в адсорбованому стані та пористість відповідає обсягу порової води. З аналізу рис. 11.3 видно, що метод стандартного ущільнення є умовним. Характеристики міцності (модуль пружності грунту E0, тертя φ і зчеплення С, встановлені при щільності, що відповідає методу стандартного ущільнення, значно нижче, ніж, наприклад, за модернізованим методом Проктора *, що застосовується в США та інших країнах (рис. 11.4). методом ґрунт ущільнюють за значно більшої витрати енергії, ніж у нас.
Мал. 11.4. Вплив вологості та методу ущільнення на характеристики міцності зв'язкових грунтів 1 - метод ущільнення, прийнятий в США (модернізований метод Проктора); 2-метод стандартного ущільнення (СРСР); ϕ - тертя; з - зчеплення; Е0 -модуль пружності ґрунту
Коефіцієнт ущільнення зв'язного грунту по модернізованому методу, рівний, припустимо, Ко=1, відповідає методу стандартного ущільнення К=1,1 т. е. вимоги до щільності грунтів жорсткіші, ніж у СРСР.
*Модернізований метод широко застосовують у багатьох країнах. Від нашого методу стандартного ущільнення він відрізняється тим, що ґрунт ущільнюють хоч і в такій же металевій склянці, але гирей масою 4,55 кг у 5 шарів із загальною кількістю ударів 125. У нас же скидають гирю масою всього 2,5 кг і ущільнюють ґрунт у 3 шари.
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 напруг у ґрунтах основи під фундаментами, щодо обсягу 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 чинними нормативними документами, наведено в 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 і 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 та 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 терезів встановлюють підставку для посудини з водою так, щоб виключити її торкання чаші терезів (або знімають підвіс, врівноваживши ваги додатковим вантажем). До коромисла підвішують зразок та опускають у посудину з водою. Об'єм судини 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
Виважений зразок виймають з 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 вище, 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 вагзнімають ліву дужку з чашкою і 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 обмірювання зразків правильної геометричної форми (об'ємний метод) застосовується визначення щільності скельних і мерзлих грунтів. При відборі моноліту йому надають певну форму, що дозволяє встановити обсяг 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 при роботі 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 та 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 вітчизняної 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 порід більшою 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 постійної щільністю найпоширеніших 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 при визначенні питомої вагизасолених ґрунтів вода замінюється нейтральними рідинами (гас, бензин, толуол та ін.); 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 чи 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, так і форму частинок, що дає найбільше об'єктивний критерійгустини додавання.
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 роботою ущільнення та послідовним збільшенням вологості ґрунту.
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 і пилуватих пісків.
Якщо у ґрунті містилися великі частинки, які перед випробуванням були видалені з проби, то для обліку впливу їх складу коригують встановлене значеннямаксимальної 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 утримання 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.
Щільність ґрунту максимальна щільність, отримана при даній витраті на ущільнення (стандартне ущільнення) ґрунту, що має оптимальну вологість.
Будівельний словник.
Дивитись що таке "Щільність ґрунту максимальна" в інших словниках:
максимальна- максимальна: Максимально можлива довжина ЗО, у межах якої виконуються вимоги цього стандарту та технічних умов(ТУ) на сповіщувачі конкретних типів, Джерело: ДЕРЖСТАНДАРТ Р 52651 2006: І …
Максимальна щільність (стандартна щільність)- найбільша щільність сухого ґрунту, яка досягається при випробуванні ґрунту методом стандартного ущільнення. Джерело: ГОСТ 22733 2002: Ґрунти. Метод лабораторного визначення максимальної густини. Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації
максимальна щільність та оптимальна вологість- 3.2 максимальна щільність та оптимальна вологість: Параметри, що визначаються при випробуванні ґрунту методом стандартного ущільнення за ГОСТ 22733. Джерело … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації
Вологість ґрунту- відношення маси води в обсязі ґрунту до маси цього ґрунту, висушеного до постійної маси. Джерело: ГОСТ 30416 96: Ґрунти. Лабораторні випробування Загальні положення оригінал документа Дивись також родинні терміни. Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації
вологість ґрунту оптимальна- 3.2 вологість ґрунту оптимальна: Вологість ґрунту, при якій його ущільнення певними ущільнювальними засобами забезпечує максимальну щільність. Джерело … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації
Вологість ґрунту, при якій досягається його максимальна щільність (у перерахунку на сухий ґрунт) при стандартизованих умовах його ущільнення вантажем, що падає. У Росії як стандартний метод визначення оптимальної вологості прийнятий ... ... Будівельний словник
