шпоры по геологии

1.   Строительная классификация грунтов.

По СТБ 943-2007 грунты подразделяются на:

1) классы – по общему характеру структурной связи;

2) группы - по характеру структурных связей (с учётом их прочности);

3) подгруппы – по происхождению и условиям образования;

4) типы – по вещественному составу;

5) виды - по наименованию грунтов (с учётом размеров частиц и показателей свойств);

6) разновидности - по физическим, механическим, химическим свойствам.

Классы:

- с жесткими структурными связями (скальные): 1. магматические 2. метаморфические 3. осадочные сцементированные 4. искусственные.

- без жестких структурных связей (нескальные): 1. осадочные несцементированные 2. искусственные.

         По гранулометрическому составу: гравелистый грунт, крупный, средней крупности, мелкий, пылеватый.

По числу пластичности: супесь, суглинок, глина.

2.   Составные элементы грунтов и их свойства.

В большинстве случаев грунты состоят из трех компо­нентов: твердых частиц, воды и воздуха или иного газа, т.е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов.

Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между ко­торыми заполнены водой, то он является двухфазной системой. В большинстве случаев в грунте, кроме твер­дых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, либо растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является (трехфаз­ной) системой.

В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту специфические свойства, которые нужно учитывать, особенно при строительстве в районах рас­пространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехфазной системой.

В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже  небольшого количества таких веществ в грунте, суще­ственно отражается на его свойствах.

3.   Лабораторные и полевые методы определения свойств грунтов.

Основная задача лабораторных работ заключается в максимальном приближении воссоздаваемых условий опыта к реальности. В лабораторных условиях можно определять все физико-механические свойства грунтов. Ряд характеристик, например, природная влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие определяются только в лабораторных условиях и с достаточно высокой точностью.

В то же время лабораторные исследования грунтов имеют свои недостатки:
• они довольно трудоемки и требуют больших затрат времени;
• результаты отдельных анализов, например определение модуля общей деформации, не дает достаточно точных результатов.
• определение свойств массива грунта по результатам анализов небольшого количества образцов не позволяют получать верное представление о его свойствах в целом.

Свойства определяемые лабораторным методом.

- Плотность.

- Влажность.

- Пределы пластичности.

- Набухаемость.

- Водопроницаемость.

- Модуль общей деформации.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях, т. е. на исследуемой строительной площадке, дает определенное преимущество перед лабораторным анализом. Это позволяет определять значения характеристик физико-механических свойств в условиях естественного залегания грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При полевых исследованиях лучше, чем по результатам лабораторных анализов, моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений.

В полевых условиях определяют все прочностные и деформационные характеристики как скальных, так и нескальных грунтов.

Полевые методы дают хорошую возможность определять свойства в условиях естественного залегания грунтов, но они не всегда позволяют прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и сооружений. Поэтому целесообразно сочетать лабораторные и полевые методы.

4.   Основные физические характеристики грунтов (формулы, методы определения, пределы изменения, где используются).

- влажность;

- плотность;

- плотность частиц грунта.

Влажность грунта–

m2 – масса бюкса с влажным грунтом

m3 – масса бюкса с сухим грунтом

m1 – масса пустого бюкса

Определяется взвешиванием образца грунта естественной влажности до и после высушивания при температуре 105 ⁰С.

Плотность грунта – отношение массы образца грунта к его объему: , г/см³.

Зависит от минералогического состава, пористости и влажности (ρ=1,4…2,2 т/м³).

Методы определения плотности грунта:

- метод режущего кольца – применяется для связных грунтов, легко поддающихся резке, а также песчаных грунтов ненарушенного сложения и естественной влажности;

- метод взвешивания в воде – для связных грунтов, трудно поддающихся резке.

Плотность частиц грунта – отношение массы частиц грунта к объему, занимаемому этими частицами: , т/м³. (ρ_s=2,4…2,8 т/м³).

Определяется с помощью мерных сосудов (пикнометров), емкостью не менее 100см³ (пикнометрический метод).

В расчетах чаще всего используются не значения плотности грунта а удельный вес грунта и удельный вес частиц грунта.

, кН/м³;  , кН/м³  (g=9,81 м/с²).

5.    Производные характеристики грунтов (формулы, пределы изменения, где используются).

Зная величины ρ, ρ_s  и  W можно вычислить ряд производных характеристик грунта:

Плотность сухого грунта ρ_d – отношение массы сухого грунта (m_s) к объему этого грунта(V_о):

, т/м^3;

где: ρ – плотность грунта, г/см³;

        w – влажность грунта, %.

Пористость грунта n – отношение объема пор (V_пор) к объему всего грунта (V₀):

;

Коэффициент пористости е – отношение объема пор (V_пор) к объему частиц грунта (V₀):

Степень влажности  S_r – отношение влажности W к полной влагоемкости грунтов W_sat:

где: ρ_w – плотность воды, г/см³.

6.   Классификационные показатели грунтов: гранулометрический состав, верхний и нижний пределы пластичности, число пластичности, показатель текучести (методы определения, классификация).

Методы определения гранулометрического состава: ситовой метод, полевой метод Рутковского, метод Сабанина, пипеточный метод, ареометрический.

по гранулометрическому составу:

- гравелистый грунт (размер частиц >2мм, Масса частиц, % от массы воздушно-сухого грунта >25)

- крупный (>0,5мм, >50%)

- средней крупности (>0,25мм, >50%)

- мелкий (>0,1 мм, >=75%)

- пылеватый (>0,1 мм, <75%)

         Число пластичности определяется по формуле: J_p=W_L-W_p (W_L – граница текучести, W_p – граница раскатывания)

по числу пластичности:

- супесь (число пластичности,%. 1<= J_p <=7)

- суглинок (7< J_p <=17)

- глина (J_p >17)

         Показатель текучести определяется по формуле:

         по показателю текучести:

    - супесь:

а) твердая (показатель текучести I_L <0)

б) пластичная (0<= I_L <=1)

в) текучая (I_L >1)

    - суглинок и глина:

а) твердые (I_L <0)

б) полутвердые (0<= I_L <= 0,25)

в) тугопластичные (0,25 < I_L <= 0,5)

г) мягкопластичные (0,5 < I_L <= 0,75)

д) текучепластичные (0,75 < I_L <=1)

е) текучие (I_L >1)

7.   Оптимальная влажность и его максимальная плотность.

При устройстве искусственно улучшенных оснований приходится уплотнять грунт. Для оценки уплотняемости грунта его подвергают исследованию в приборе для стандартного уплотнения. Грунт укладывают в прибор тремя слоями и каждый слой уплотняют 30 - 40 ударами стандартного груза, сбрасываемого с определенной высоты.

Таким образом исследуют один и тот же грунт при различных влажностях. После уплотнения определяют плотность грунта и влажность. Затем вычисляют плотность частиц грунта, характеризующую его уплотненность, и строят графическую зависимость....ρ_d–W.

По графику определяют влажность, при которой достигается наибольшая плотность скелета грунта. Эта влажность называется оптимальной влажностью W_opt. Наибольшее значение ρ_d, достигнутое в приборе стандартного уплотнения при оптимальной влажности, называется оптимальной плотность частиц грунта ρ_{d, opt}.

8.   Механические характеристики грунтов (Компрессионная зависимость и определение показателей сжимаемости грунтов. Предельное сопротивление грунтов сдвигу. Методы определения.).

9.   Компрессионные испытания;

Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости, модуля деформации, структурной прочности на сжатие, коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах, исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой.

Результаты испытаний оформляют, в виде графиков зависимостей деформаций образца от нагрузки и их изменения во времени.

Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт.

Образец должен иметь форму цилиндра.

10. Метод прямого среза образца

Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивление грунта срезу, угла внутреннего трения, удельного сцепления.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в  приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой

Испытания образцов грунта проводят по двум режимам нагружения сдвигающей нагрузкой. В первом случае, применяется статическое нагружение ступенями с выдержкой на каждой ступени до условной стабилизации деформаций. Во втором случае, применяется кинематическое нагружение, непрерывно с заданной скоростью движения срезной коробки прибора.

Для определения удельного сцепления и угла внутреннего трения необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения.

Испытания проводят по следующим схемам:

- консолидированно-дренированное испытание - для песков и глинистых грунтов.

- неконсолидированно-недренированное испытание - для водонасыщенных глинистых и органо-минеральных грунтов.

11. Испытания на сдвиг в приборах трехосного сжатия.

Опыты на трёхосное сжатие позволяют испытывать образцы любых грунтов при обжатии их наперёд заданным боковым давлением, что ближе отвечает работе грунта в природных условиях и даёт наиболее надёжные результаты определения их прочностных и деформационных свойств.

Прибор на трехосное сжатие – Стабилометр - состоит из камеры, наполненной жидкостью и соединённой с источником боковых давлений, в которой между специальными поддонами устанавливается образец грунта, помещаемый в тонкую резиновую оболочку. Осевая нагрузка передается поршнем. Все время испытания ведутся замеры давления воды, по монометрам.

После стабилизации деформаций от действия бокового давления, передаётся возрастающая нагрузка N до разрушения образца грунта. В процессе опыта измеряется N, продольная деформация Si и объёмная деформации грунта. Имея эти данные можно определить эффективные напряжения в грунте.

Результат опыта на трехосное сжатие для плотных грунтов 1, для рыхлых 2.

12. Штамповые испытания грунтов.

Штамповые испытания заключаются в том, что штамп - круглая плита - устанавливается на дно котлована на предварительно зачищенную и разровненную поверхность грунта, после чего загружается ступенями нагрузки. Последующая ступень нагрузки прикладывается после затухания осадки от предыдущей ступени. По линейному участку зависимости осадки от нагрузки устанавливается модуль деформации. Основным достоинством этого вида испытаний является то, что они ведутся непосредственно в грунтовом массиве.

При испытаниях жесткими штампами требуется тщательная их установка на грунт с прилеганием по всей поверхности. Штамповые испытания производятся также в скважинах. В этом случае штамп устанавливается в забое скважины. Применяются также винтовые штампы.

13.  Прессиометрические испытания грунтов.

Испытание прессиометром происходит следующим образом: в готовую скважину опускается камера прессиометра с эластичными стенками, после чего данную камеру заполняют водой (в случае использования гидравлического прессиометра) и создают определенное давление на грунт. После чего можно определить деформационные свойства грунтов (модуль деформации) с помощью мерного цилиндра.

Преимущества:

- Применяется практически на любых видах грунтов;

- Допускается глубина бурения скважины до 50 метров;

- Достаточно быстрый способ исследования грунтов.

- Диаметр скважины бурения может быть довольно небольших размеров;

- Модуль деформации грунта определяется независимо от направления;

- Более экономичное испытание по сравнению с испытанием грунтов штампом;

14. Статическое и динамическое зондирование грунтов.

Зондированием грунта называется погружение в грунт конуса стандартного размера. Зондирование служит для оценки плотности песчаных грунтов и консистенции глинистых грунтов, выявления слабых прослоек грунта. При статическом зондировании измеряется усилие погружения конуса, при динамическом зондировании - количество ударов, необходимое для погружения конуса на заданное расстояние по глубине.

В результате статического зондирования строятся графики зависимости удельного сопротивления погружению конуса от глубины залегания грунтов, в которые он вдавливается.

В результате динамического зондирования строятся графики зависимости количества ударов для погружения стандартного конуса от залегания пластов грунта .

После проведения зондирования выявляются слабые слои грунтов основания.

                              а - статическое; б - динамическое

15. Испытания на сдвиг крыльчаткой.

Полевые испытания методом вращательного среза используют для определения сопротивления сдвигу в глинистых грунтах, илах и заторфованных грунтах на глубинах до 10 - 12м. Для этого в забой скважины погружается четырехлопастная крыльчатка на глубину более высоты крыльчатки. Крыльчатка соединена штангой со специальным вращающим устройством. Вращая крыльчатку вокруг оси, производят срез грунта по всей поверхности образующегося цилиндра. Достижение при некотором угле поворота наибольшего значения крутящего момента свидетельствует о срезе грунта, находящегося в ненарушенном состоянии. Последующее вращение крыльчатки (обычно 4 - 5 полных оборота) приводит к установлению постоянного значения крутящего момента, что соответствует сопротивлению сдвигу грунта нарушенного состояния.

Тогда пиковое и остаточноесопротивления сдвигу могут быть определены по формулам:

;      ,

где  – максимальный крутящий момент;

 – постоянная крыльчатки.

,

где  – высота крыльчатки;

 – диаметр крыльчатки.

Сопротивление сдвигу, полученное методом вращательного среза, представляет собой обобщенный показатель прочности грунта, включающий и сцепление, и трение.

16. Испытания грунтов с помощью шарового штампа.

Сущность метода заключается в том, что с помощью шарика диаметром d на грунт передается усилие F и измеряется осадка штампа s. Тогда  сцепление можно определить по формуле:

Полученное таким образом сцепление соответствует определенному в сдвиговых испытаниях  для вязких очень малоуплотняющихся грунтов при φ<5º(жирные глины, мерзлые грунты и т.п.). При большем значении угла внутреннего трения грунта рекомендуется в правую часть уравнения вводить понижающий коэффициент М. Так при  φ=0º М=1; при φ=10º М=0,61; при φ=20º М=0,28 ; при φ=30º М=0,12.

а) схема испытания шаровым штампом,              б) кривая длительной прочности грунта.

Метод шариковой пробы удобен для определения изменения прочностных свойств грунтов в зависимости от времени действия нагрузки. Поскольку осадка s с течением времени увеличивается шариковое сцепление будет уменьшаться. Для обеспечения длительной устойчивости следует принимать в расчет предел длительной прочности.

17. Методы определения коэффициента фильтрации.

         Методы определения коэффициента фильтрации применяются для песчаных, пылеватых и глинистых грунтов и  не распространяется на грунты в мерзлом состоянии. Коэффициентом фильтрации называют скорость фильтрации воды при градиенте напора, равном единице, и линейном законе фильтрации. Коэффициент фильтрации определяют на образцах ненарушенного сложения или нарушенного сложения заданной плотности.

Для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов нарушенного сложения следует применять образцы, высушенные до воздушно-сухого состояния.  Максимальный размер частиц песчаных грунтов не должен превышать 1/5 внутреннего диаметра прибора для определения коэффициента фильтрации. Коэффициент фильтрации песчаных грунтов определяют при постоянном заданном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой снизу вверх.

Коэффициент фильтрации пылеватых и глинистых грунтов определяют при заданных давлении на грунт и переменном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой снизу вверх без возможности его набухания. Для насыщения образцов грунта и фильтрации применяют грунтовую воду с места отбора грунта или воду питьевого качества. В случаях, устанавливаемых программой исследований, допускается применять дистиллированную воду.