Определение угла естественного откоса грунта

Цель работы: изучить основные физико-механические свойства грунтов и определить угол естественного откоса.

Общие сведения о грунтах

Придерживаясь представлений о грунте как объекте строительных работ, можно остановиться на следующем определении: грунтами называются рыхлые горные породы современной коры выветривания, включающие почву как поверхностный слой.

По происхождению, состоянию и механической прочности грунты делятся на скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, пылеватые и гли­нистые.

К скальным грунтам относят сцементированные водо­устойчивые породы с пределом прочности в водонасыщенном состоянии не менее 5 МПа (граниты, песчаники, известняки и т. п.).

К полускальным грунтам относят сцементированные горные породы с пределом прочности до 5 МПа (мергели, окаменевшие глины, гипсоносные конгломераты и т. п.).

Крупнообломочные грунты представляют собой куски скальных и полускальных пород.

Песчаные грунты состоят из несцементированных мелких частичек (песчинок) разрушенных горных пород размером 0, 05–2 мм.

Пылеватые грунты состоят из частичек (пылинок) размером 0, 05-0, 005 мм.

Глинистые грунты являются также продуктом естественного разрушения и преобразования горных пород, размеры частиц которого в основном менее 0, 005 мм.

Машины для земляных работ в строительстве преимуще­ственно разрабатывают песчаные, глинистые, крупнообломочные и полускальные грунты. Скальные грунты предварительно разрушают и рыхлят чаще всего взрывом и разрабатывают их затем машинами как крупнообломочные грунты. Технологические процессы, выполняемые землеройными и уплотняющими машинами при возведении этих сооружений, являются процессами взаимо­действия рабочих органов машин с грунтом. Выбор соответствующих типов машин и правильного режима их эксплуатации производится с учетом основных физико-механических свойств грунтов. Поэтому знание основных свойств грунтов во многом предопределяет правильное назначение параметров ма­шин, а также их рациональное применение в различных условиях эксплуатации.

Грунт состоит из трех основных частей: минеральных частиц, образующих грунтовый скелет (твердая фаза); воды, частично или полностью заполняющей поры грунта (жидкая фаза) и воздуха (газообразная фаза). При промерзании к этим основным трем частям, образующим грунт, добавляется еще лед, в который частично или полностью превращается вода, заполняющая крупные и средние поры грунта. Грунт является гигроскопическим материалом и в естественных условиях всегда поглощает воду из паров воздуха.

Основными компонентами грунта являются песок и глина. Пески образуются путем механического разрушения основных горных пород. Глина является продуктом их химико-механических разрушений. Пески малосвязаны, водопроницаемы, неэластичны, при высыхании не уменьшаются в объеме и легко размываются. Глины обладают противоположными по сравнению с песками свойствами. В природе, кроме песков и глин, имеются промежуточные грунты смешанного происхождения, именуемые супесями (супесками) и суглинками. Для этих грунтов перечисленные свойства принимают промежуточный характер. Пылеватые частицы, так же как и песчаные, образуются в результате выветривания горных пород, поэтому их минералогический состав не отличается от материнской породы.

Все качественные различия свойств грунтов, помимо различия в размерах и форме образующих их частиц, зависят, прежде всего, от содержания воды. Профессор Лебедев А.Ф. разделяет воду в грунтах на парообразную, твердую (лед), гигроскопическую (пленочную) и свободную.

Парообразная вода содержится в парах и пустотах, не заполненных водой. Гигроскопическая (пленочная) вода находится на поверхности грунтовых частиц, причем силы ее молекулярных связей с частицами столь значительны, что она не может передвигаться под действием сил тяжести. Свободная вода заполняет поры грунта и подразделяется на гравитационную и капиллярную в зависимости от характера ее перемещения.

Движение свободной воды происходит под действием разности напора. На расстоянии около 0, 5 мкм связывающие силы становятся близкими к нулю. Эти молекулы образуют слои рыхлосвязанной воды (лиосорбированной), которые поддаются выдавливанием из пор грунта внешним давлением до нескольких н/см².

Показатели состояния грунтов

Основными свойствами и показателями состояния грунтов, знание которых обусловливает правильный выбор землеройных и грунтоуплотняющих машин, являются: гранулометрический состав, пористость, влажность, объемный вес, объемный вес скелета, удельный вес, пластичность, липкость, разрыхляемость, прочность, угол естественного откоса и коэффициент трения грунта о сталь.

Для учета пористости принята величина S, названная коэффициентом пористости:

где В – объем пор;

А – объем, занятый частицами грунта.

Величина S может быть целым или дробным числом. Если S = 1, это значит, что 50 % объема занято порами, 50 % – скелетом грунта. В песке S не бывает больше 1, а в глинах может доходить до 16.

Весовая влажность – отношение веса воды g _в, находящейся в порах грунта, к весу высушенного грунта g _c:

W = 100.

Объемный вес – отношение веса грунта g_wпри естественнойвлажности к его объему V _г

.

Объемный вес грунтов обычно колеблется в пределах 1, 5 – 2, 0 т/м в зависимости от минералогического состава, пористости и влажности. Объемный вес оказывает существенное влияние на затраты энергии при разработке, подъеме и транспортировании грунта.

Объемный вес скелета грунта

.

Величиной объемного веса скелета обычно пользуются при определении степени уплотнения грунта.

Удельным весом грунта g называется отношение веса твердых частиц грунта к объему вытесненной ими жидкости. Для большинства грунтов он меняется в незначительных пределах от 2, 50 – 2, 80 т/м³ и в среднем равен для пес­ков – 2, 65 т/м³ и для глин – 2, 70 т/м³.

Пластичностью называют способность грунта изменять свою форму под действием внешних сил без изменения объема. Глинистые грунты находятся в пластичном состоянии в пределах влажностей, характеризующих границу раскрашивания и границу текучести.

Границей раскрашивания (предел пластичности) W _Р называют весовую влажность в процентах, при которой тесто, изготовленное из грунта и воды и раскрашиваемое в жгут толщиной 3 мм, начинает крошиться.

Границей (пределом) текучести W _Т называют весовую влажность теста, изготовленного из грунта и воды, при которой стандартный прибор – балансирный конус погружается под действием собственного веса 76 г за 5 с на глубину 10 мм.

Числом пластичности W _п называют разность между границей текучести и границей раскатывания:

W _п = W _т – W _р.

По числу пластичности глинистые грунты подразделяются следующим образом: супесь 1 £ W _п£ 7; суглинок 7 £ W _п £ 17; глина W _п > 17. Число пластичности характеризует количество в грунте глинистых частиц и является основой разделения грунтов на группы: песков, супесей, суглинков и глин.

Липкость характеризует способность грунта прилипать к различным предметам и свойственна большинству пластичных грунтов, т.е. супесям, суглинкам и глинам, при их достаточной влаж­ности и малом содержании песка. Величина усилий, затрачивае­мых при резании грунта на преодоление налипания грунта на рабочий орган, определяется силой налипания:

Р_н = p_н F,

где p _н – удельная величина силы налипания (для глин p _н = 700 – 800 кгс/м², для суглинков p _н = 600 – 700 кгс/м²;

F – площадь поверхности соприкосновения рабочего органа машины с грунтом, м².

Следует избегать разработки пластичных грунтов при влажности, когда эти грунты становятся липкими, а если это невозможно, то надо дополнительно учитывать величину усилий, затрачиваемых на преодоление налипания грунта на рабочий орган.

Разрыхляемостью называется способность грунта увеличиваться в объеме при разработке. Вместе с разрыхлением соответственно уменьшается объемный вес грунта. Коэффициент разрыхления k _р характеризует отношение объема разрыхленного грунта к объему, который он занимал при естественном залегании. С течением времени разрыхленный грунт уплотняется, но сохраняет некоторую остаточную разрыхленность. Средние значения коэффициента разрыхления k _р колеблются в пределах 1, 08 –1, 32, а коэффициента остаточного разрыхления – в пределах 1, 01–1, 09. Большие значения относятся к скальным грунтам. Коэффициенты разрыхления мерзлого грунта колеблются в пределах 1, 5 - 1, 6.

Коэффициент трения грунта о сталь f зависит от вида и состояния грунта, а также от состояния поверхности стали. Величина его колеблется от 0, 25 - 1, 0, увеличиваясь при неровной поверхности стали и при влажных и вязких грунтах. Koэффициент трения стали по грунтам нарушенной структуры составляет приблизительно 2/3 величины коэффициента трения по грунтам ненарушенной структуры.

Влажность грунта является наиболее существенным фактором, влияющим на величину коэффициента трения.

Коэффициент трения грунта о сталь в зависимости от влажности определяется по формуле

,

где β и А – постоянные параметры (для суглинка β = 1, 01, А = 4, 08);

W – весовая влажность грунта, %;

Угол естественного откоса это угол, образующийся между образующей и основанием конуса при свободном отсыпании сверху разрыхленного грунта. Величина угла естественного откоса j зависит от вида грунта и его влажности и обусловливается значениями угла внутреннего трения и сил сцепления С.

На откосе с углом a частица будет в равновесии, если

G × sin a £ G × tg j × cos a + C × F,

где G – вес (масса) частицы в кг;

F – площадь соприкосновения частицы с плоскостью откоса в см².

При нарушении сцепления устойчивость откоса будет обеспечена при

tgj ³ tga.

Если разрыхленный грунт лежит на горизонтальной плоскости, совершающей вертикальные колебания, то угол его естественного откоса будет меньше, чем на плоскости, находящейся в состоянии покоя. Этот угол в инженерной практике носит название угла естественного откоса в движении. Данные об углах естественного откоса в покое приведены в табл.1. При проектировании многих земляных сооружений угол естественного откоса сыпучего грунта является одной из основных расчетных характеристик.

Задачи лабораторной работы: изучить основные показатели физико-механических свойств грунтов; ознакомиться с методикой определения угла естественного откоса грунта; овладеть навыками определения угла естественного откоса на приборе Литвинова; определить угол естественного откоса для заданных грунтовых условий.

Таблица 1