Основи грунтознавства

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Геологічний факультет

Кафедра гідрогеології та інженерної геології

Заочна форма навчання

грунтознавство геологія гранулометричний засоленість

Контрольна робота

з навчальної дисципліни

"Основи грунтознавства"

Київ – 2011

ЗМІСТ

1. Теоретичні запитання

1.1 Ґрунтознавство як одна з основних складових частин інженерної геології

1.2 Щільність ґрунтів

1.3 Поняття про класифікаційні показники ґрунтів

2. Розрахунок компресійних характеристик ґрунту

3. Розрахунок зсувних характеристик ґрунту

Список використаної літератури

1. ТЕОРЕТИЧНІ ЗАПИТАННЯ

1.1 Ґрунтознавство як одна з основних складових частин інженерної геології

Ґрунтознавство – наука, яка вивчає будь-які гірські породи, ґрунти та техногенні утворення як багатокомпонентні, динамічні системи в зв'язку з інженерною діяльністю людини. Вона є однією з головних складових частин інженерної геології, як науки про геологічне середовище, його раціональне використання та охорону.

Свою назву ґрунтознавство отримало від слова "ґрунт" (польське "grynt", від нім. "Der qrund" – підґрунтя, основа). Ґрунти – це будь-які гірські породи та техногенні утворення, що мають певні генетичні ознаки й розглядаються, як багатокомпонентні динамічні системи, що знаходяться під впливом інженерної діяльності людини.

Ґрунтознавство виникло під впливом питань будівництва, на підґрунті, головним чином, літології й петрографії, геології четвертинних відкладів, а також механіки й фізики.

Зведення більшості інженерних споруд здійснюється на поверхні або в поверхневому шарі ґрунтової товщі і тоді вона є основою споруди, або під поверхнею – ґрунт є середовищем для споруди (тунелі метрополітену, підземні гаражі тощо); ґрунт також може використовуватись й в якості матеріалу для споруди (земляні греблі, дамби, насипи).

Найважливішими завданнями ґрунтознавства є :

1) Визначення генетичних типів і видів ґрунтів, їх просторового положення, а також основних показників властивостей та стану ґрунтів із метою їх класифікації та виділення на ділянках, що вивчаються інженерно-геологічних елементів;

2) Визначення кількісних показників міцності та інших фізико-механічних властивостей ґрунтів із метою їх використання при проектуванні різноманітних інженерних споруд;

3) Прогнозування можливих змін властивостей ґрунтів під впливом споруди, що проектується, та їх впливу на стійкість споруди;

4) Розробка теоретичного підґрунтя та методів поліпшення фізико-механічних властивостей ґрунтів із метою забезпечення найбільш раціональних способів будівельних робіт при зведенні споруд, забезпечення їх довговічності та нормальної роботи на весь розрахунковий термін експлуатації;

5) Регіональне вивчення складу, будови й властивостей основних генетичних типів та стратиграфічних комплексів ґрунтів території держави.

1.2 Щільність ґрунтів

Щільність – це відношення маси ґрунту до об’єму, що займає ґрунт. В інженерно-геологічній практиці використовують такі показники щільності: щільність часток ґрунту, щільність ґрунту, щільність скелету ґрунту, щільність ґрунту під водою та щільність скелету висушеного ґрунту.

Щільність часток ґрунту (ρ>s>)- це маса одиниці їх об’єму, або в кількісному виразі відношення маси твердої компоненти ґрунту до їх об’єму. Одиниця виміру - г/см3.

Значення цього показника залежить від мінерального складу та вмісту органічних речовин. Щільність часток більшості гірських порід змінюється в межах 2,5-2,8 г/см3, (для кислих порід трохи нижче – 2,63-2,75 г/см3, для основних - вище до 3,0-3,4 г/см3). У дисперсних ґрунтах величини щільності часток змінюються у відносно вузькому діапазоні й згідно зі статистичними даними середні значення цього показника складають: для пісків – 2,66, супісків – 2,70, суглинків – 2,71 і глин 2,74 г/см3.

Присутність в ґрунті органічної речовини істотно знижує величину щільності часток, тому що значення цього показника для органічних речовин не перевищує 1,25-1,4 г/см3. Щільність часток ґрунту використовується в розрахунках величини пористості і показника щільності ґрунту.

Щільність ґрунту (ρ) - це маса одиниці об’єму ґрунту з природною вологістю і непорушеним станом. Розмірність щільності ґрунту така ж сама, що й у раніше розглянутого показника. Його величина залежить від мінералогічного складу (з підвищенням щільності мінералів, що складають породу, її щільність зростає), вологості (підвищення вологості обумовлює зростання щільності) і пористості (зниження цього показника веде до підвищення щільності). Скельні ґрунти, у яких пористість мала і визначається першими відсотками, мають щільність, яка характеризується близькими значеннями до щільності їх часток. Мінералогічний склад таких ґрунтів має великий вплив на щільність.

Навпаки, щільність дисперсних ґрунтів істотно залежить від їх пористості і вологості, але мінералогічний склад має другорядне значення. Величина щільності дисперсних ґрунтів змінюється в широких межах - від 1,3 до 2,2 г/см3, магматичних – 2,5-3,4 г/см3, вапняків – 2,4-2,6 г/см3, пісковиків і мергелів – 2,1-2,6 г/см3. Визначення щільності ґрунтів виконується методами ріжучого кільця або парафінування.

Щільність сухого ґрунту або скелету ґрунту (ρ>d>) – це маса твердої компоненти ґрунту в одиниці об’єму при непорушеній структурі. Ця величина більш постійна, тому що вона залежить від мінералогічного складу і пористості. Чим більш важкими мінералами складений ґрунт і менша пористість, тим більше значення щільності скелету. Цей показник є розрахунковим і визначається за такою формулою:

де ρ - щільність, W - вологість ґрунту в частках одиниці.

У піщаних ґрунтах, для яких визначення щільності в природному стані в ряді випадків є складним завданням, цей показник визначають для сухих зразків порушеної структури в пухкому і щільному станах. Внаслідок отримують щільності пісків у пухкому і щільному стані.

Величина щільності скелету ґрунту використовується для визначення пористості, а також для характеристики щільності ґрунту в тілі земляних гребель.

Щільність скелету ґрунту під водою (ρ>d>,>ef>) - це маса його одиниці об’єму в природному стані під водою.

Кількісною вона дорівнюється щільності ґрунту за винятком гідростатичної підйомної сили води:

ρ>d>,>ef >= ρ - ρ>ω>,

Цей показник використовується для розрахунків стійкості основ у водонасичених зонах.

Щільність скелету висушеного ґрунту - це маса одиниці об’єму ґрунту, висушеного при температурі 105 0С. Щільність скелету піщаних ґрунтів залишається постійною після висушування, а в глинистих ґрунтах, які при висушуванні схильні до усідання, величина щільності скелету висушеного ґрунту перебільшує щільність скелету ґрунту природного стану.

1.3 Класифікаційні показники ґрунтів

До класифікаційних показників відносять такі показники, які використовуються з метою класифікації ґрунтів. У залежності від складу ґрунтів характер цих показників різний.

Для скельних ґрунтів – це межа міцності при одноосьовому стисканні, коефіцієнт розм’якшення, коефіцієнт тріщинної пустотності, щільність тощо.

З метою класифікації незв’язних ґрунтів використовуються показники гранулометричного складу, щільності (пористості), вологості тощо.

Класифікаційними показниками для зв’язних ґрунтів є гранулометричний склад, число пластичності, пористість, вологість, засоленість, консистенція, відносне набухання, просідання, вміст органічних речовин тощо.

Основа будівлі або споруди, яка представлена ґрунтовим масивом, вважається охарактеризованою з інженерно-геологічної точки зору тоді, коли в її розрізі виділені однорідні шари і кожен з них має певний набір показників складу стану і властивостей ґрунтів. Сукупність індивідуальних значень дає можливість охарактеризувати властивості горизонту, верстви, лінзи й таке інше. З цією метою використовується середнє арифметичне значення показника (за винятком тертя і питомого зчеплення).

2. РОЗРАХУНОК КОМПРЕСІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ҐРУНТУ

Вихідні дані для розрахунку компресійних характеристик отримані в результаті проведення інженерно-геологічних досліджень розрізу лесової товщі в районі смт. Овідіополь Одеської області:

  • Р>0> – маса порожнього кільця, г;

  • Р>1> – маса кільця з ґрунтом до проведення досліду, г;

  • Р>2> – маса кільця з ґрунтом після проведення досліду, г;

  • h>0> – висота кільця (початкова висота зразка), см;

  • d – діаметр кільця, см;

  • ρ>s> – щільність часток ґрунту, г/см3

Таблиця 1 Початкові дані проведення компресійних досліджень

Характеристика ґрунту

Початкові дані

Р>0>

Р>1>

Р>2>

h>0>

d

ρ>s>

Середній суглинок причорноморського лесового горизонту (рс)

188,13

449,58

471,14

2,440

8,802

2,68

Розрахунок об'єму кільця:

V=148,40см3

Таблиця 2 Дані для розрахунку вологості ґрунту

Маса бюкса, г

До проведення досліду

Після проведення досліду

g>0>

g>1>

g>2>

g>0>

g>1>

g>2>

21,76

80,96

72,88

22,80

82,10

70,02

22,68

83,37

75,05

21,11

75,84

64,87

g>0> – маса порожнього бюкса, г; g>1> – маса бюкса з вологим ґрунтом, г; g>2> – маса бюкса з висушеним ґрунтом, г

Таблиця 3 Дані для розрахунку величини деформації ґрунту

Навантаження на зразок ґрунту, р>і>, МПа

Показники індикаторів деформацій (мессур), мм

Поправка на деформацію приладу (тарувальна погрішність), h>mi>, мм

Зміна коефіцієнта пористості, ∆h>і>, мм

Правий, h>ni>

Лівий, h>лі>

Середнє, h>срі>

0,05

0,08

0,10

0,09

0,06

0,03

0,10

0,17

0,19

0,18

0,09

0,09

замочування

0,18

0,20

0,19

0,09

0,10

0,15

0,26

0,31

0,28

0,11

0,17

0,20

0,30

0,45

0,38

0,13

0,25

0,25

0,34

0,68

0,51

0,14

0,37

0,30

0,36

0,80

0,58

0,15

0,55

0,35

0,41

0,98

0,70

0,16

0,75

0,40

0,45

1,08

0,76

0,17

1,03

На основі отриманих даних розраховуємо значення основних показників характеристик фізичних властивостей ґрунту, як до проведення, так і після проведення досліду (табл.4).

Таблиця 4 Розрахунок показників характеристик фізичних властивостей ґрунту

Найменування показників

Позначення та розрахункові формули

Числові значення показників

до досліду

після досліду

Вологість ґрунту, %

15,8

23,2

Щільність часток ґрунту, г/см3

ρ>S>

2,68

Щільність ґрунту до досліду, г/см3

>ρ=>

1,76

Щільність ґрунту після досліду, г/см3

ρ>к>=

1,96

Щільність скелета ґрунту, г/см3

ρ>d>=

1,52

1,60

Повна вологоємність, д.о.

W>n>=

0,29

0,26

Пористість, %

n=W>n>ρ>d>

44,1

41,6

Коефіцієнт пористості, д.о.

e=W>n>ρ>s>

0,777

0,700

Ступінь вологості, д.о.

S>r>=

0,54

0,89

Таблиця 5 Розрахунок деформаційних характеристик ґрунту

Навантаження на зразок ґрунту р>і>, МПа

Величина деформації ґрунту ∆е>i>, д.о.

Коефіцієнт пористості е>і>, д.о.

Коефіцієнт стисливості m>0i>, МПа-1

Модуль деформації, Е>і>, МПа

Модуль осідання е>рі>, мм/м

0,05

0,002

0,775

0,10

0,007

0,770

0,100

10,6

1,2

0,15

0,007

0,770

0,020

52,9

3,7

замочування

0,012

0,764

0,080

13,2

4,1

0,20

0,018

0,760

0,080

13,2

7,0

0,25

0,027

0,750

0,200

5,29

11,1

0,30

0,040

0,737

0,320

3,03

22,5

0,35

0,056

0,721

0,320

3,03

30,7

0,40

0,075

0,702

0,380

2,78

42,2

Розраховуючи зміну коефіцієнта пористості ґрунту Δе>і> для кожного ступеня навантаження р>і>, використовують значення величин деформації ґрунту від і-го ступеня навантаження Δh>і> за формулою:

,

де Δh>і >– величина деформування ґрунту від і-го ступеня навантаження;

е>0> – початкове значення коефіцієнта пористості ґрунту у природному стані;

h>0 >– початкова висота зразка.

Коефіцієнт пористості е>і> для кожного ступеня навантаження р>і> розраховують за формулою:

е >і >= е>0> - Δе>і>

Використовуючи отримані дані, будують графік залежності е>і> = ƒ(р>і>) та перевіряють точність проведення досліду – якщо різниця між значеннями коефіцієнта пористості е, який був розрахований на основі показників властивостей ґрунту та значенням коефіцієнта пористості е, який був розрахований на основі величини деформації ґрунту для останнього ступеня навантаження не перевищує ±0,004, то такий дослід вважається точним ( в нашому випадку: 0,702-0,700=0,002, тобто дослід є точним).

Коефіцієнт стисливості m>0 i> розраховують для кожного інтервалу суміжних навантажень р >і+1> – р>і> з точністю до 0,001 МПа -1 за формулою:

,

де е>і> та е>і+1> – коефіцієнти пористості, які відповідають навантаженням рі та р>і+1.>

Використовуючи значення коефіцієнта стисливості m>0> при навантаженні р=0,3МПа, роблять висновок про віднесення ґрунту, що досліджується до певної категорії за стисливістю. У нашому випадку: m>0>=0,320, отже, ґрунт, що досліджується відноситься до III категорії за стисливістю (таким чином стисливість ґрунту є підвищеною).

Модуль деформації Е>і >для кожного інтервалу суміжних навантажень> >р>і+1> – р>і> з точністю до 0,1МПа за формулою:

,

де е>0 >- початкове значення коефіцієнта пористості зразка ґрунту, долі одиниці;

m>0 >- коефіцієнт стисливості в інтервалі навантажень від р>і> до р >і+1>, МПа-1;

β – перехідний коефіцієнт, що враховує відсутність поперечного розширення ґрунту в компресійному приладі обчислюють за формулою:

,

де v – коефіцієнт поперечної деформації, яку визначають за результатами випробувань у приладах тривісного стиску. У разі відсутності експериментальних даних припускається приймати v, що дорівнює 0,35-0,37 – для суглинків, зокрема, тобто для нашого досліджуваного ґрунту.

Коефіцієнт поперечної деформації для середніх суглинків приймається ν=0,36.

Звідси, перехідний коефіцієнт, що враховує відсутність поперечного розширення ґрунту в компресійному приладі, буде дорівнювати β=0,7975.

Модуль осідання е>р і >для кожного ступеня навантаження р>і> розраховують за формулою:

,

де Δh>i> – зменшення висоти зразка під тиском> >p>i>, мм;

h>0> – початкова висота зразка, мм.

Використовуючи отримані дані будуємо графік залежності е>рі>=ƒ(р>і>), який при заданому тиску дозволяє швидко знаходити величину осідання верстви ґрунту, що досліджується, потужністю в 1 м.

Використовуючи значення модуля осідання е>р і >при навантаженні р=0,3МПа, робимо висновок про стисливість ґрунту, що досліджується, в нашому випадку е>р >= 50,6 мм/м, тобто ґрунт, що досліджується, відноситься до категорії ґрунтів з підвищеною стисливістю.

Коефіцієнт відносної просадності ε>sl> розраховують під заданим навантаженням ( в нашому випадку р = 0,1МПа, випробування виконувалось за схемою "однієї кривої") за формулою:

,

де е>Vi> – коефіцієнт пористості при природній вологості й заданому навантаженні р>і> ;

e>sl i >– коефіцієнт пористості після повного водонасичення під навантаженням р>і> ;

е>0> – початковий коефіцієнт пористості.

Використовуючи отримане значення коефіцієнта відносної просадності e>sl >, робимо висновок про віднесення ґрунту, що досліджується, до просадних або непросадних різновидів – у нашому випадку: e>sl >=0,03 (0,03>0,01), тобто ґрунт, що досліджується, відноситься до просадних лесових ґрунтів.

3. РОЗРАХУНОК ЗСУВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ҐРУНТУ

Вихідні дані для розрахунків отримані в результаті проведення досліджень ділянки будівництва шляхопроводу-1, дорога Київ-Одеса, км 203-км 209, Черкаська область; дослідження виконувались за схемою швидкого зсуву методом НН-зсуву.

Таблиця 6 Початкові дані проведення компресійних досліджень

Характеристика ґрунту

Початкові дані

№ к

Р>0>

Р>1>

h>0>

d

ρ>s>

Середній суглинок

9

82,45

359,50

3,525

7,195

2,67

24

83,15

372,20

3,475

7,150

40

84,83

370,43

3,500

7,150

Розрахунок об'єму кільця:

V

V>9>=143,2см3

V>24>=139,5см3

V>40>=140,5см3

Таблиця 7 Дані для розрахунку вологості ґрунту

Маса бюкса, г

До проведення досліду

Після проведення досліду

g>0>

g>1>

g>2>

g>0>

g>1>

g>2>

21,39

75,92

68,22

22,40

67,26

60,01

20,82

77,54

69,65

21,46

75,40

66,50

W=16,30%

W>к>=19,5

g>0> – маса порожнього бюкса, г; g>1> – маса бюкса з вологим ґрунтом, г; g>2> – маса бюкса з висушеним ґрунтом, г

Таблиця 8 Дані для розрахунку міцнісних властивостей ґрунту

№ з/п

Нормальне навантаження Р, 1·105Па

Р>1>=4

Р>2>=8

Р>3>=12

Q, 1·105Па

∆l, мм

Q, 1·105Па

∆l, мм

Q, 1·105Па

∆l, мм

1

1,0

0,47

2,0

0,77

3,0

0,87

2

1,7

1,25

3,0

1,50

4,5

1,84

3

2,2

2,31

3,7

2,11

5,2

2,37

4

2,4

3,05

4,2

2,54

5,7

2,89

5

2,5

3,69

4,4

2,79

6,2

3,70

6

2,6

4,41

4,6

3,02

6,5

4,52

7

2,7

5,49

4,8

3,31

6,8

6,20

8

2,8

6,98

5,0

3,73

6,9

8,85

9

2,9

∞

5,2

4,15

7,0

∞

10

5,4

∞

На підґрунті отриманих даних (за даними 3 кілець) розраховують середні значення основних характеристик фізичних властивостей ґрунту, що досліджується, до проведення досліду.

Таблиця 9 Розрахунок показників характеристик фізичних властивостей ґрунту

№ з/п

Найменування показників

Позначення та розрахункові формули

Числові значення показників

1

Вологість ґрунту, %

16,3

2

Щільність часток ґрунту, г/см3

ρ>S>

2,67

3

Щільність ґрунту до досліду, г/см3

>ρ=>

2,01

4

Щільність скелета ґрунту, г/см3

ρ>d>=

1,73

5

Повна вологоємність, д.о.

W>n>=

0,20

6

Пористість, %

n=W>n>ρ>d>

34,6

7

Коефіцієнт пористості, д.о.

e=W>n>ρ>s>

0,534

8

Ступінь вологості, д.о.

S>r>=

0,82

За отриманими в процесі випробування значеннями нормального навантаження Р обчислюємо нормальні напруження σ за формулою:

де Р – нормальна сили до площини зрізу (зразка), 1×105 Па;

n – кратність важеля, що дорівнює 1:10;

F – площа зрізу (зразка), 40 см2

==1×105Па=0,1МПа

==2×105Па=0,2МПа

==3×105Па=0,3МПа

Таблиця 10 Значення нормального напруження σ і дотичного напруження τ при проведенні досліду на зріз

№ з/п

Нормальне напруження σ, МПа

σ>1>=0,1

σ>2>=0,2

σ>3>=0,3

Q, 1·105Па

τ, 1·105Па

Q, 1·105Па

τ, 1·105Па

Q, 1·105Па

τ, 1·105Па

1

1,0

0,25

2,0

0,50

3,0

0,75

2

1,7

0,43

3,0

0,75

4,5

1,13

3

2,2

0,55

3,7

0,93

5,2

1,30

4

2,4

0,60

4,2

1,05

5,7

1,43

5

2,5

0,63

4,4

1,10

6,2

1,55

6

2,6

0,65

4,6

1,15

6,5

1,63

7

2,7

0,68

4,8

1,20

6,8

1,70

8

2,8

0,70

5,0

1,25

6,9

1,73

9

2,9

∞

5,2

1,30

7,0

∞

10

5,4

∞

За отриманими в процесі випробування значеннями дотичного навантаження Q обчислюють дотичні напруження τ за формулою:

де Q – дотична сили до площини зрізу (зразка),1×105 Па;

n – кратність важеля, що дорівнює 1:10;

F – площа зрізу (зразка), 40 см2.

За опір ґрунту зрізу приймають максимальне значення τ, яке одержане за графіком Δl=ƒ(τ) на відрізку Δl, який не перевищує 5 мм. Якщо τ зростає монотонно, то за опір ґрунту слід приймати τ при Δl=5 мм.

Кут внутрішнього тертя φ та питоме зчеплення с визначають методом найменших квадратів за формулами:

tgφ==0,7400

Кут φ=

с==0,045МПа

Для оцінки розкиду експериментальних даних та виявлення помилок випробування будують графік залежності τ =ƒ(σ) і показники зрізу ґрунту визначають графоаналітичним способом. На осі абсцис відкладають значення нормального напруження σ(МПа), а на осі ординат відповідні дотичні напруження τ(МПа). Через одержані точки проводять пряму і продовжують її до перетину з віссю ординат. Відрізок, що відсікається по прямій на осі ординат, виражає питоме зчеплення ґрунту с(МПа), а тангенс кута нахилу цієї прямої до осі абсцис (tg φ) є коефіцієнтом внутрішнього тертя φ (в нашому випадку с= 0,045МПа та φ=28˚).