Київськийнаціональний університет імені Тараса Шевченка
Геологічнийфакультет
Кафедрагідрогеології та інженерної геології
Заочнаформа навчання
грунтознавство геологія гранулометричний засоленість
Контрольнаробота
знавчальної дисципліни
«Основи грунтознавства»
Київ– 2011
ЗМІСТ
1. Теоретичні запитання
1.1 Ґрунтознавство як одна з основних складових частинінженерної 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. ТЕОРЕТИЧНІЗАПИТАННЯ
1.1Ґрунтознавство як одна з основних складових частин інженерної геології
Ґрунтознавство – наука, яка вивчає будь-які гірськіпороди, ґрунти та техногенні утворення як багатокомпонентні, динамічні системив зв'язку з інженерною діяльністю людини. Вона є однією з головних складовихчастин інженерної геології, як науки про геологічне середовище, йогораціональне 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 маютьпевні 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 четвертиннихвідкладів, а також механіки й фізики.
Зведення більшості інженерних споруд здійснюється наповерхні 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 матеріалудля споруди (земляні греблі, дамби, насипи).
Найважливішими завданнями ґрунтознавства є :
1) Визначення генетичних типів і видів ґрунтів, їхпросторового положення, а також основних показників властивостей та стануґрунтів із метою їх класифікації та виділення на ділянках, що вивчаютьсяінженерно-геологічних елементів;
2) Визначення кількісних показників міцності та іншихфізико-механічних властивостей ґрунтів із метою їх використання при проектуваннірізноманітних інженерних споруд;
3) Прогнозування можливих змін властивостей ґрунтівпід впливом споруди, що проектується, та їх впливу на стійкість споруди;
4) Розробка теоретичного підґрунтя та методівполіпшення фізико-механічних властивостей ґрунтів із метою забезпеченнянайбільш раціональних способів будівельних робіт при зведенні споруд,забезпечення їх довговічності та нормальної роботи на весь розрахунковий термінексплуатації;
5) Регіональневивчення складу, будови й властивостей основних генетичних типів тастратиграфічних комплексів ґрунтів території держави.
1.2 Щільність ґрунтів
Щільність – це відношення маси ґрунту до об’єму, що займає ґрунт. Вінженерно-геологічній практиці використовують такі показники щільності:щільність часток ґрунту, щільність ґрунту, щільність скелету ґрунту, щільністьґрунту під водою та щільність скелету висушеного ґрунту.
Щільність часток ґрунту (ρs)- це маса одиниці їх об’єму,або в кількісному виразі відношення маси твердої компоненти ґрунту до їхоб’єму. Одиниця виміру — г/см3.
Значення цього показника залежить від мінерального складу та вмістуорганічних речовин. Щільність часток більшості гірських порід змінюється вмежах 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 величинищільності часток змінюються у відносно вузькому діапазоні й згідно зістатистичними 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 величинущільності часток, тому що значення цього показника для органічних речовин неперевищує 1,25-1,4 г/см3. Щільність часток ґрунту використовується врозрахунках величини пористості і показника щільності ґрунту.
Щільність ґрунту (ρ) — це маса одиниці об’єму ґрунту з природноювологістю і непорушеним станом. Розмірність щільності ґрунту така ж сама, що йу раніше розглянутого показника. Його величина залежить від мінералогічногоскладу (з підвищенням щільності мінералів, що складають породу, її щільністьзростає), вологості (підвищення вологості обумовлює зростання щільності) іпористості (зниження цього показника веде до підвищення щільності). Скельніґрунти, у яких пористість мала і визначається першими відсотками, маютьщільність, 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 пористостіі вологості, але мінералогічний склад має другорядне значення. Величинащільності 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 ґрунтіввиконується методами ріжучого кільця або парафінування.
Щільність сухого ґрунту або скелету ґрунту (ρd) – це масатвердої компоненти ґрунту в одиниці об’єму при непорушеній структурі. Цявеличина більш постійна, тому що вона залежить від мінералогічного складу іпористості. Чим більш важкими мінералами складений ґрунт і менша пористість,тим більше значення щільності скелету. Цей показник є розрахунковим івизначається за такою формулою:
/>
де ρ — щільність, W — вологість ґрунту в частках одиниці.
У піщаних ґрунтах, для яких визначення щільності в природному стані вряді випадків є складним завданням, цей показник визначають для сухих зразківпорушеної структури в пухкому і щільному станах. Внаслідок отримують щільностіпісків у пухкому і щільному стані.
Величина щільності скелету ґрунту використовується для визначенняпористості, а також для характеристики щільності ґрунту в тілі землянихгребель.
Щільність скелету ґрунту під водою (ρd,ef) — це маса його одиниці об’єму в природному стані під водою.
Кількісною вона дорівнюється щільності ґрунту завинятком гідростатичної підйомної сили води:
ρd,ef = ρ — ρω,
Цей показник використовується для розрахунків стійкості основ уводонасичених зонах.
Щільність скелету висушеного ґрунту — це маса одиниці об’єму ґрунту,висушеного при температурі 105 0С. Щільність скелету піщаних ґрунтівзалишається постійною після висушування, а в глинистих ґрунтах, які привисушуванні схильні до усідання, величина щільності скелету висушеного ґрунтуперебільшує щільність скелету ґрунту природного стану.
1.3 Класифікаційні показники ґрунтів
До класифікаційних показників відносять такі показники, яківикористовуються з метою класифікації ґрунтів. У залежності від складу ґрунтівхарактер 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 показникигранулометричного складу, щільності (пористості), вологості тощо.
Класифікаційними показниками для зв’язних ґрунтів є гранулометричнийсклад, 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 їїрозрізі виділені однорідні шари і кожен з них має певний набір показниківскладу стану і властивостей ґрунтів. Сукупність індивідуальних значень даєможливість охарактеризувати властивості горизонту, верстви, лінзи й таке інше.З цією метою використовується середнє арифметичне значення показника (завинятком тертя і питомого зчеплення).
2. РОЗРАХУНОК КОМПРЕСІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ҐРУНТУ
Вихідні дані для розрахунку компресійних характеристик отримані врезультаті проведення інженерно-геологічних досліджень розрізу лесової товщі врайоні смт. Овідіополь Одеської області:
- Р0– маса порожнього кільця, г;
- Р1 – маса кільця з ґрунтом до проведеннядосліду, г;
- Р2 – маса кільця з ґрунтом після проведеннядосліду, г;
- h0– висота кільця (початкова висота зразка),см;
- d – діаметр кільця, см;
- ρs – щільність часток ґрунту, г/см3
Таблиця 1 Початкові дані проведення компресійнихдослідженьХарактеристика ґрунту Початкові дані
Р0
Р1
Р2
h0 d
ρs 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 ґрунтуМаса бюкса, г До проведення досліду Після проведення досліду
g0
g1
g2
g0
g1
g2 21,76 80,96 72,88 22,80 82,10 70,02 22,68 83,37 75,05 21,11 75,84 64,87
g0– маса порожнього бюкса, г; g1– маса бюкса з вологим ґрунтом, г; g2 – маса бюкса звисушеним ґрунтом, г
Таблиця 3 Дані для розрахунку величини деформаціїґрунту
Навантаження на зразок ґрунту, рі, МПа Показники індикаторів деформацій (мессур), мм
Поправка на деформацію приладу (тарувальна погрішність), hmi, мм
Зміна коефіцієнта пористості, ∆hі, мм
Правий, hni
Лівий, hлі
Середнє, hсрі 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 показниківхарактеристик фізичних властивостей ґрунту, як до проведення, так і післяпроведення досліду (табл.4).
Таблиця 4 Розрахунок показників характеристикфізичних властивостей ґрунтуНайменування показників Позначення та розрахункові формули Числові значення показників до досліду після досліду Вологість ґрунту, %
/> 15,8 23,2
Щільність часток ґрунту, г/см3
ρS 2,68
Щільність ґрунту до досліду, г/см3
ρ=/> 1,76
Щільність ґрунту після досліду, г/см3
ρк=/> 1,96
Щільність скелета ґрунту, г/см3
ρd=/> 1,52 1,60 Повна вологоємність, д.о.
Wn=/> 0,29 0,26 Пористість, %
n=Wnρd 44,1 41,6 Коефіцієнт пористості, д.о.
e=Wnρs 0,777 0,700 Ступінь вологості, д.о.
Sr=/> 0,54 0,89
Таблиця 5 Розрахунок деформаційних характеристикґрунту
Навантаження на зразок ґрунту рі, МПа
Величина деформації ґрунту ∆еi, д.о.
Коефіцієнт пористості еі, д.о.
Коефіцієнт стисливості m0i, МПа-1
Модуль деформації, Еі, МПа
Модуль осідання ері, 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
Розраховуючизміну коефіцієнта пористості ґрунту Δеі для кожного ступенянавантаження рі, використовують значення величин деформації ґрунтувід і-го ступеня навантаження Δhі за формулою:
/>,
де Δhі –величина деформування ґрунту від і-го ступеня навантаження;
е0–початкове значення коефіцієнта пористості ґрунту у природному стані;
h0 –початкова висота зразка.
Коефіцієнтпористості еі для кожного ступеня навантаження рірозраховують за формулою:
е і =е0 — Δеі
Використовуючиотримані дані, будують графік залежності еі = ƒ(рі)та перевіряють точність проведення досліду – якщо різниця між значеннямикоефіцієнта пористості е, який був розрахований на основі показниківвластивостей ґрунту та значенням коефіцієнта пористості е, який буврозрахований на основі величини деформації ґрунту для останнього ступенянавантаження не перевищує ±0,004, то такий дослід вважається точним ( в нашомувипадку: 0,702-0,700=0,002, тобто дослід є точним).
Коефіцієнтстисливості m0 i розраховують для кожного інтервалу суміжнихнавантажень р і+1 – рі з точністю до 0,001 МПа -1за формулою:
/>,
де еіта еі+1 – коефіцієнти пористості, які відповідають навантаженням рі тарі+1.
Використовуючизначення коефіцієнта стисливості m0при навантаженні р=0,3МПа,роблять висновок про віднесення ґрунту, що досліджується до певної категорії застисливістю. У нашому випадку: m0=0,320, отже, ґрунт, щодосліджується відноситься до III категорії за стисливістю (таким чиномстисливість ґрунту є підвищеною).
Модуль деформаціїЕі для кожного інтервалу суміжних навантаженьрі+1– рі з точністю до 0,1МПа за формулою:
/>,
де е0 — початкове значення коефіцієнта пористості зразка ґрунту, долі одиниці;
m0 — коефіцієнт стисливості в інтервалі навантажень від рі до р і+1,МПа-1;
β –перехідний коефіцієнт, що враховує відсутність поперечного розширення ґрунту вкомпресійному приладі обчислюють за формулою:
/>,
де v – коефіцієнтпоперечної деформації, яку визначають за результатами випробувань у приладахтривісного стиску. У разі відсутності експериментальних даних припускаєтьсяприймати v, що дорівнює 0,35-0,37 – для суглинків, зокрема, тобто для нашогодосліджуваного ґрунту.
Коефіцієнт поперечної деформації для середніх суглинків приймається ν=0,36.
Звідси, перехідний коефіцієнт, що враховує відсутність поперечногорозширення ґрунту в компресійному приладі, буде дорівнювати β=0,7975.
Модуль осідання ері для кожного ступеня навантаження рі розраховують заформулою:
/>,
де Δhi– зменшення висоти зразка під тискомpi, мм;
h0–початкова висота зразка, мм.
Використовуючиотримані дані будуємо графік залежності ері=ƒ(рі),який при заданому тиску дозволяє швидко знаходити величину осідання верствиґрунту, що досліджується, потужністю в 1 м.
Використовуючизначення модуля осідання ер і при навантаженні р=0,3МПа, робимо висновок простисливість ґрунту, що досліджується, в нашому випадку ер = 50,6мм/м, тобто ґрунт, що досліджується, відноситься до категорії ґрунтів зпідвищеною стисливістю.
Коефіцієнтвідносної просадності εsl розраховують під заданимнавантаженням ( в нашому випадку р = 0,1МПа, випробування виконувалось засхемою «однієї кривої») за формулою:
/>,
де еVi– коефіцієнт пористості при природній вологості й заданому навантаженні рі;
esl i –коефіцієнт пористості після повного водонасичення під навантаженням рі;
е0–початковий коефіцієнт пористості.
/>
Використовуючиотримане значення коефіцієнта відносної просадності esl, робимовисновок про віднесення ґрунту, що досліджується, до просадних або непросаднихрізновидів – у нашому випадку: esl =0,03 (0,03>0,01), тобтоґрунт, що досліджується, відноситься до просадних лесових ґрунтів.
3. РОЗРАХУНОК ЗСУВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ҐРУНТУ
Вихідні дані для розрахунків отримані в результаті проведення дослідженьділянки будівництва шляхопроводу-1, дорога Київ-Одеса, км 203-км 209, Черкаськаобласть; дослідження виконувались за схемою швидкого зсуву методом НН-зсуву.
Таблиця 6 Початкові дані проведення компресійнихдослідженьХарактеристика ґрунту Початкові дані № к
Р0
Р1
h0 d
ρs 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/>
V9=143,2см3
V24=139,5см3
V40=140,5см3
Таблиця 7 Дані для розрахунку вологості ґрунтуМаса бюкса, г До проведення досліду Після проведення досліду
g0
g1
g2
g0
g1
g2 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%
Wк=19,5
g0– маса порожнього бюкса, г; g1– маса бюкса з вологим ґрунтом, г; g2 – маса бюкса звисушеним ґрунтом, г
Таблиця 8 Дані для розрахунку міцніснихвластивостей ґрунту№ з/п
Нормальне навантаження Р, 1·105Па
Р1=4
Р2=8
Р3=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 підґрунтіотриманих даних (за даними 3 кілець) розраховують середні значення основниххарактеристик фізичних властивостей ґрунту, що досліджується, до проведеннядосліду.
Таблиця 9 Розрахунок показників характеристикфізичних властивостей ґрунту№ з/п Найменування показників Позначення та розрахункові формули Числові значення показників 1 Вологість ґрунту, %
/> 16,3 2
Щільність часток ґрунту, г/см3
ρS 2,67 3
Щільність ґрунту до досліду, г/см3
ρ=/> 2,01 4
Щільність скелета ґрунту, г/см3
ρd=/> 1,73 5 Повна вологоємність, д.о.
Wn=/> 0,20 6 Пористість, %
n=Wnρd 34,6 7 Коефіцієнт пористості, д.о.
e=Wnρs 0,534 8 Ступінь вологості, д.о.
Sr=/> 0,82
За отриманими впроцесі випробування значеннями нормального навантаження Р обчислюємо нормальнінапруження σ за формулою:
/>
де Р – нормальнасили до площини зрізу (зразка), 1×105 Па;
n – кратністьважеля, 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 σі дотичного напруження τ при проведенні досліду на зріз№ з/п Нормальне напруження σ, МПа
σ1=0,1
σ2=0,2
σ3=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 впроцесі випробування значеннями дотичного навантаження Q обчислюють дотичнінапруження τ за формулою:
/>
де Q – дотичнасили до площини зрізу (зразка),1×105 Па;
n – кратністьважеля, що дорівнює 1:10;
F – площа зрізу(зразка), 40 см2.
За опір ґрунтузрізу 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 внутрішньоготертя φ та питоме зчеплення с визначають методом найменших квадратів заформулами:
tgφ=/>=0,7400
Кут φ=
с=/>=0,045МПа
Для оцінкирозкиду експериментальних даних та виявлення помилок випробування будуютьграфік залежності τ =ƒ(σ) і показники зрізу ґрунту визначаютьграфоаналітичним способом. На осі абсцис відкладають значення нормальногонапруження σ(МПа), а на осі ординат відповідні дотичні напруження τ(МПа).Через одержані точки проводять пряму і продовжують її до перетину з віссюординат. Відрізок, що відсікається по прямій на осі ординат, виражає питомезчеплення ґрунту с(МПа), а тангенс кута нахилу цієї прямої до осі абсцис (tgφ) є коефіцієнтом внутрішнього тертя φ (в нашому випадку с= 0,045МПата φ=28˚).