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:

- 
Р₀ – маса порожнього кільця, г;

- 
Р₁ – маса кільця з ґрунтом до проведення
досліду, г;

- 
Р₂ – маса кільця з ґрунтом після проведення
досліду, г;

- 
h₀ – висота кільця (початкова висота зразка),
см;

- 
d – діаметр кільця, см;

- 
ρ_s – щільність часток ґрунту, г/см³

Таблиця 1 Початкові дані проведення компресійних
досліджень

Розрахунок об'єму кільця:

V=148,40см³

Таблиця 2 Дані для розрахунку вологості ґрунту

g₀ – маса порожнього бюкса, г; g₁
– маса бюкса з вологим ґрунтом, г; g₂ – маса бюкса з
висушеним ґрунтом, г

Таблиця 3 Дані для розрахунку величини деформації
ґрунту

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

Таблиця 5 Розрахунок деформаційних характеристик
ґрунту

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;

е₀ –
початкове значення коефіцієнта пористості ґрунту у природному стані;

h₀ –
початкова висота зразка.

Коефіцієнт
пористості е_і для кожного ступеня навантаження р_і
розраховують за формулою:

е _і =
е₀ - 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 m₀ при навантаженні р=0,3МПа,
роблять висновок про віднесення ґрунту, що досліджується до певної категорії за
стисливістю. У нашому випадку: m₀=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 е₀ -
початкове значення коефіцієнта пористості зразка ґрунту, долі одиниці;

m₀ -
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;

h₀ –
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
;

е₀ –
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

Розрахунок об'єму кільця:

V

V₉=143,2см³

V₂₄=139,5см³

V₄₀=140,5см³

Таблиця 7 Дані для розрахунку вологості ґрунту

g₀ – маса порожнього бюкса, г; g₁
– маса бюкса з вологим ґрунтом, г; g₂ – маса бюкса з
висушеним ґрунтом, г

Таблиця 8 Дані для розрахунку міцнісних
властивостей ґрунту

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

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

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˚).