Угол естественного откоса - это наибольший угол, который может быть образован откосом свободно насыпанного грунта в состоянии равновесия с горизонтальной плоскостью.

Угол естественного откоса зависит от гранулометрического состава и формы частиц. С уменьшением размера зерен угол естественного откоса становится положе.
В воздушно-сухом состоянии угол естественного откоса песчаного грунта равен 30-40°, под водой - 24-33°. Для грунтов, не обладающих сцеплением (сыпучих), угол естественного откоса не превышает угла внутреннего трения

Для определения угла естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии используют прибор УВТ (рис. 9.11, 9.12 ), под водой - ВИА (рис. 9.13 ).

Согласно рис. 9.12 при наклоне ящика песок осыпается и, разрыхляясь, образует откос с углом, который можно определить транспортиром или по формуле

Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для связных глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°.

Рис. 9.11. Прибор УВТ-2: 1 - шкала; 2 - резервуар; 3 - мерительный столик; 4 - обойма; 5 - опора; 6 - образец песка

Рис. 9.12. Определение угла естественного откоса вращением емкости (а) и медленным снятием пластинки (б): А - ось вращения емкости

Рис. 9.13. Прибор ВИА: 1 - ящик ВИА; 2 - образец песка; 3 - емкость с водой; 4 - транспортир; 5 - ось вращения; 6- пьезометр; 7- штатив

При разработке и усадке разрыхленного грунта выемки и насыпи образуют естественные откосы различной крутизны. Наибольшую крутизну плоских откосов земляных сооружений, траншей и котлованов, устраиваемых без креплений, следует принимать согласно табл. 9.2. При обеспечении естественной крутизны откосов обеспечивается устойчивость земляных насыпей и выемок.

Таблица 9.2. Наибольшая крутизна откосов траншей и котлованов, град.

Откосы насыпей постоянных сооружений выполняют более пологими, чем откосы выемок.

Гранулометрический состав. Практически характер и качество разрушения породы четко определяется ее гранулометрическим составом. Он характеризует разрыхленную горную породу по процентному содержанию в ней частиц различной крупности и может быть изображен кривой (рис. 2.1), если по оси абсцисс отложить диаметр частиц, мм, а по оси ординат - суммарное содержание частиц диаметром, меньшим данного, в процентах.
Для характеристики неоднородности рыхлых пород используется отношение d60/d10=Kн называемое коэффициентом неоднородности (d60, d10 - максимальные диаметры кусков, составляющих 60 и 10% общего объема рыхлой породы соответственно).
Особенно важное значение гранулометрический состав породы имеет при процессах гидромеханизации. От него зависят удельный расход воды на разработку и транспортирование, наименьший допустимый уклон подошвы забоя и лотков, критическая скорость воды.
Угол естественного откоса φ - максимальный угол, образуемый свободной поверхностью рыхлой раздробленной породы с горизонтальной плоскостью. Частицы породы, находящиеся на этой поверхности, испытывают состояние предельного равновесия. Если вес частицы Р (рис. 2.2), то в состоянии предельного равновесия на свободной поверхности на частицу действуют силы: Рп - сила нормального давления, прижимающая частицу к свободной поверхности; Рτ - сила, стремящаяся сдвинуть частицу вниз; Fт - сила трения, зависящая от Рn и коэффициента трения fтр, R - реакция опоры. Поскольку частица находится в равновесии, имеем

т. е.

Цель работы:

Ознакомление с методикой определения угла естественного откоса для песчаных грунтов.

Приобретение навыков в работе с прибором для определения угла естественного откоса сыпучих грунтов.

Определение угла естественного откоса песка в воздушно-сухом и подводном состоянии.

Необходимое оборудование и материалы

Методические указания к выполнению работы.

Журнал лабораторных работ.

Прибор для определения угла естественного откоса полевой лаборатории Литвинова.

Емкость с водой.

Отсутствие сцепления в песках позволяет определять угол внутреннего трения φ 0 по углу естественного откоса грунта в условиях предельного равновесия (рис. 2.3.).

Рис.2.3. Схема к определению угла естественного откоса песчаного гранта.

T 1 =

где φ – угол внутреннего трения; tg φ – коэффициент трения

Углом естественного откоса песчаного грунта называют максимальное значение угла, образуемого с горизонтальной плоскостью, поверхностью грунта, отсыпанного без толчков и динамических воздействий.

Угол естественного откоса определяют для песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии и под водой. Для испытания используем прибор Литвинова.

Порядок выполнения работы

Определение угла естественного откоса грунта в воздушно-сухом состоянии производят следующим образом. Прибор устанавливают на стол, выдвижная створка при этом опущена до дна. В малое отделение прибора до верха засыпают испытываемый песок (рис.2.4). После этого постепенно поднимают выдвижную створку без толчков; при этом прибор придерживают рукой. Грунт постепенно частично пересыпается в другое отделение до наступления положение равновесия.

Рис. 2.4. Общий вид прибора для определения угла естественного откоса песков (Ящик Кулона).

Угол между плоскостью свободного откоса и горизонтальной плоскостью и есть угол естественного откоса. По делениям на днище и боковой стенке отсчитывают высоту и заложение откоса и вычисляют тангенс угла естественного откоса; отсчеты ведут с точностью до 1мм.

Определение угла естественного откоса грунта в подводном состоянии отличается от предыдущего тем, что после того, как в малое отделение прибора насыпают испытываемый грунт, в большое отделения до верха наливают воду. Верхнюю створку подымают на несколько миллиметров, чтобы вода могла проникнуть в малое отделение. Когда весь грунт пропитается водой, поднимают створку выше и испытание продолжают так же, как и предыдущее. Результаты испытаний заносят в таблицу 2.4.

Общие положения

Назначение и виды земляных сооружений

Объем земляных работ очень большой, он имеется при строительстве любого здания и сооружения. Из общей трудоемкости в строительстве земляные работы составляют 10%.

Различаются следующие основные виды земляных сооружений :

Планировка площадки;

Котлованы и траншеи;

Земляные полотна дорог;

Плотины;

Каналы и др.

Земляные сооружения делятся на :

Постоянные;

Временные.

К постоянным относятся котлованы, траншеи, насыпи, выемки.

К постоянным земляным сооружениям предъявляются требования :

Должно быть прочным, т.е. сопротивляться временным и постоянным нагрузкам;

Устойчивым;

Хорошо сопротивляться атмосферным влияниям;

Хорошо сопротивляться размывающим действиям;

Должны обладать безосадочностью.

Основные строительные свойства и классификация грунтов

Грунтом называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры. К ним относятся: растительный грунт, песок, супесь, гравий, глина, суглинок лессовидный, торф, различные скальные грунты и плывуны.

По крупности минеральных частиц и их взаимной связи различают следующие грунты :

Связные – глинистые;

Несвязные – песчаные и сыпучие (в сухом состоянии), крупнообломочные несцементированные грунты содержащие более 50% (по массе) обломков кристаллических пород размером более 2 мм;

Скальные – изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткой связью между зернами.

К основным свойствам грунтов, влияющим на технологию производства, трудоемкость и стоимость земляных работ относятся :

Объемная масса;

Влажность;

Размываемость

Сцепление;

Разрыхленность;

Угол естественного откоса;

Объемной массой называется масса 1 м3 грунта в естественном состоянии в плотном теле.

Объемная масса песчаных и глинистых грунтов 1,5 – 2 т/м3, скальных не разрыхленных до 3 т/м3.

Влажность – степень насыщения пор грунта водой

g b – g c – масса грунта до и после сушки.

При влажности до 5% - грунты называются сухие. При влажности от 5 до 15% - грунты называются маловлажными. При влажности от 15 до 30% - грунты называются влажные.
При влажности более 30% - грунты называются мокрые.

Сцепление – начальное сопротивление грунта сдвигу.

Сила сцепления грунтов : - песчаных грунтов 0,03 – 0,05 МП- глинистых грунтов 0,05 – 0,3 МП- полускальных грунтов 0,3 – 4 МПа- скальных более 4 МПа.

В мерзлых грунтах сила сцепления значительно больше.

Разрыхляемость – это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке, вследствие потери связи между частицами. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентом разрыхления К р. После уплотнения разрыхленного грунта называется остаточной разрыхленностью К ор.

Угол естественного откоса характеризуется физическими свойствами грунта. Величина угла естественного откоса зависит от угла внутреннего трения, силы сцепления и давления вышележащих слоев. При отсутствии сил сцепления предельный угол естественного откоса равен углу внутреннего трения. Крутизна откоса зависит от угла естественного откоса. Крутизна откосов выемок и насыпей характеризуется отношением высоты к заложению m – коэффициент откоса.

Углы естественного откоса грунтов и отношение высоты откоса к заложению

Размываемость грунта – унос частиц текучей водой. Для мелких песков наибольшая скорость воды не должна превышать 0,5-0,6 м/сек, для крупных песков 1-2 м/сек, для глинистых грунтов 1,5 м/сек.

Цель работы :

Определить угол естественного откоса испытуемого грунта в лабораторных условиях в сухом состоянии и под водой.

Сущность метода:

Угол естественного откоса песков - это предельный угол свободного отсыпания песка, при котором грунтовая масса находится в устойчивом состоянии. Этот показатель определяется как в сухом состоянии, так и под водой.

Угол естественного откоса испытуемого грунта определяется в лабораторных условиях прибором для определения угла естественного откоса, входящим в состав полевой лаборатории Литвинова ПЛЛ-9.

Угол естественного откоса песка в сухом состоянии равен углу внутреннего трения этого песка

Оборудование:

Прибор для определения угла естественного откоса;

Воронка;

Нож с прямым лезвием;

Мерный сосуд.

Рис.5. Прибор для определения угла естественного откоса песков

1- выдвижная створка;

2- малое отделение.

Определение угла естественного откоса песков в сухом состоянии

Порядок работы:

3. Песок разровнять ножом.

4. После этого постепенно поднимают выдвижную створку, следя, чтобы не было толчков; при этом прибор придерживают рукой.

5. Песок частично пересыпается в другое отделение, пока не наступает положение устойчивого равновесия; угол между плоскостью свободного откоса и горизонтальной плоскостью и есть угол естественного откоса.

6. По делениям на днище и боковой стенке отсчитывают высоту и заложение откоса и вычисляют тангенс угла естественного откоса. Отсчеты ведут с точностью 1 мм.

7. Испытания проводят два раза.

8. Числовое значение тангенса угла естественного откоса определяется как среднее арифметическое из результатов двух замеров.

9. Результаты определений заносят в таблицу 5.

Определение угла естественного откоса песков в подводном состоянии

Порядок работы:

1. Прибор ставят на стол или иную горизонтальную поверхность. Выдвижная створка при этом опущена до дна.

2. В малое отделение прибора насыпают песок небольшими порциями через воронку вровень с краями.

3. Песок разровнять ножом.

4. После того, как в малое отделение прибора насыпан испытываемый грунт, в большое отделение наливают доверху воду.

5. После этого выдвижную створку поднимают на несколько миллиметров, чтобы вода могла проникнуть в малое отделение.

6. Когда грунт пропитается водой, постепенно поднимают выдвижную створку, следя, чтобы не было толчков; при этом прибор придерживают рукой.

7. Песок частично пересыпается в другое отделение, пока не наступает положение устойчивого равновесия; угол между плоскостью свободного откоса и горизонтальной плоскостью и есть угол естественного откоса.

8. По делениям на днище и боковой стенке отсчитывают высоту и заложение откоса и вычисляют тангенс угла естественного откоса. Отсчеты ведут с точностью 1 мм.

9. Испытания проводят два раза.

10. Числовое значение тангенса угла естественного откоса определяется как среднее арифметическое из результатов двух замеров.

11. Результаты определений заносят в таблицу 5.

Таблица 5 Результаты определений угла естественного откоса.

Лабораторная работа № 6

Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта

Цель работы:

Определить коэффициент фильтрации испытуемого песчаного грунта в лабораторных условиях.

Сущность метода:

Коэффициент фильтрации К ф - это численная характеристика водопроницаемости (способности грунта фильтровать воду). Он представляет собой скорость фильтрации и выражается обычно в см/с или в м/сут.

Коэффициент фильтрации определяется на грунтах нарушенного сложения при оптимальной влажности и максимальной стандартной плотности, значения которых предварительно определяются в лабораторной работе №4.

Коэффициент фильтрациииспользуется при подсчете запасов подземных вод, определении притока воды в строительные котлованы и горные выработки, при расчете утечек воды из водохранилищ, проектировании дренажных сооружений и фильтров, а так же в ряде других расчетов.

В настоящей лабораторной работе установлен порядок определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов и строительных песков, применяемых в строительстве.

Оборудование:

Прибор Союздорнии ПКФ-СД;

Весы с точностью 0.01 г.;

Чашки металлические емкостью не менее 5 л;

Цилиндры мерные с носиком емкостью 100 и 500 мл;

Лопаточка - мастерок;

Линейка металлическая длиной 30 см;

Секундомер;

Термометр;

Резиновая груша.

Рис 6. Общий вид прибора ПКФ-СДдля определения коэффициента фильтрации.

1- рабочий цилиндр; 2- пьезометр; 3- перфорированное дно;

10- наковальня; 11-ударник; 12-рукоятка.

Прибор состоит из следующих основных частей: фильтрационной трубки в сборе, загрузочной воронки, подставки, трамбующего устройства, стакана, и ванны.

Фильтрационная трубка в сборе включает рабочий цилиндр 1, на котором размещен пьезометр 2. Снизу к цилиндру навинчено перфорированное дно 3 с сеткой 4. После уплотнения грунта фильтрационная трубка устанавливается на подставку 6. Трамбующее устройство состоит из направляющего стержня 9, наковальни 10, ударника 11 массой 500 гр и рукоятки 12.

Для проведения опыта по определению коэффициента фильтрации К ф при гидравлическом градиенте i=1, фильтрационная трубка с подставкой помещается в стакан 7. При гидравлическом градиенте i=2 , фильтрационная трубка с подставкой помещается непосредственно в ванну 8.

Порядок работы:

Формирование образца

1. Засыпать в рабочий цилиндр первую навеску, вставить в него трамбовку (масса груза 0,5кг, высота падения груза 0,3м), провести 40 ударов по уплотняемому грунту.

2. Замерить с помощью линейки с точностью до 1мм в трех точках расстояние от поверхности уплотненного грунта до верха цилиндра. Результаты замеров записать в таблицу 6.2 и определить среднее значение.

3. Взрыхлить поверхность уплотненного слоя ножом на глубину 1-2мм. Засыпать в рабочий цилиндр вторую навеску, повторить уплотнение образца и замерить расстояние от поверхности уплотненного грунта до верха цилиндра. Результаты замеров записать в таблицу 6.2 и определить среднее значение.

4. Засыпать в рабочий цилиндр третью навеску, повторить операции по уплотнению, проведению замеров. Записать результаты в таблицу 6.2 и определить среднее значение.

5. После завершения операций уплотнения грунта рабочий цилиндр с грунтом взвесить с точностью до 1гр. Результаты взвешивания занести в таблицу 6.2.

6. На поверхность уплотненного грунта в рабочем цилиндре засыпать гравий с размером частиц 2-5мм таким образом, чтобы толщина слоя гравия составила 5-10мм.

Насыщение образца водой.

1. Фильтрационную трубку с уплотненным грунтом поместить во входящий в комплект прибора металлический стакан 7, высота которого соответствует верхнему уровню грунта в рабочем цилиндре. Заполнить этот стакан водой на 2/3 высоты и выдержать перед проведением следующей операции в течении 15 минут.

2. Перенести стакан с помещенной в него фильтрационной трубкой в резервуар с водой емкостью 8-10 литров и довести уровень воды в этом резервуаре до высоты на 10-15 мм выше верхней кромки стакана.

3. Выдержать стакан в резервуаре с водой до появления зеркала воды над слоем гравия и зафиксировать время насыщения грунта водой в таблицу 6.2.

Проведение испытаний.

1. Осторожно долить воду во внутреннюю полость фильтрационной трубки на 1/3 её высоты и перенести прибор вместе с металлическим стаканом в ванну для проведения замеров длительности фильтрации, расположив ее таким образом, чтобы нулевая отметка водомерной трубки располагалась на уровне глаз.

2. Долить во внутреннюю полость фильтрационной трубки воду до уровня, превышающего не менее, чем на 0,5см нулевую отметку водомерной трубки (каждое деление на водомерной трубке соответствует 0,5см).

3. Проверить уровень воды в металлическом стакане и, в случае необходимости, заполнить его водой до верху.

4. Установить в металлический стакан термометр для измерения температуры воды в процессе испытания.

5. Провести первый замер длительности фильтрации по секундомеру, включить последний в момент, когда уровень воды в водомерной трубке достигнет нулевого деления, и выключить, когда он установится на отметке 5см, и зарегистрировать при этом температуру воды. Уровень воды в фильтрационной трубке в процессе испытания не должен отпускаться ниже поверхности слоя гравия.

6. В случае, если длительность фильтрации превышает 2 минуты, второй замер провести при падении уровня воды до отметки 2см. В противном случае все последующие замеры проводить при падении уровня до отметки 5см, во всех случаях регистрируя потерю воды. Уровень воды в фильтрационной трубке в процессе испытания не должен отпускаться ниже поверхности слоя гравия.

7. В случае, если длительность фильтрации по предыдущему пункту превышает две минуты, все последующие замеры проводить при падении уровня воды до отметки 1см. В противном случае все последующие замеры проводить при падении уровня до отметки 2см, во всех случаях регистрируя температуру воды. Уровень воды в фильтрационной трубке в процессе испытаний не должен отпускаться ниже поверхности слоя гравия.

8. В случае, если длительность фильтрации по предыдущему пункту превышает 10 минут, градиент напора при проведении испытания необходимо принять равным 2. Для этого фильтрационную трубку вместе с подставкой необходимо извлечь из металлического стакана и установить ее в ванну без стакана.

9. Результаты каждого измерения и регистрируемую в его процессе температуру воды занести в таблицу 6.2.

Обработка результатов:

где K 10 - коэффициент фильтрации, м/сут;

I - высота фильтрующего слоя песка, определяемая, как разность между общей высотой фильтрационной трубки Н о и расстоянием от верхнего торца трубки до поверхности грунта h 3 , см.

t m – средняя продолжительность фильтрации, сек;

Т ср – температура воды, ˚С;

Значение функции падения уровня воды, определяемое по таблице 6.1;

S – падение уровня воды в водомерной трубке, см;

h o – высота первоначального напора воды в приборе от его дна до нулевого деления водомерной трубки, равная 10 для градиента напора 1 или 20 для градиента напора 2.

2. Занести полученные значения в таблицу 6.2 с округлением результатов до 0,1м/сут, если величина коэффициента фильтрации составляет менее 5м/сут, и округлением результатов до целых чисел, если коэффициент фильтрации более 5м/сут.

3. После проведения расчетов сравнить полученные результаты с усредненными значениями коэффициента фильтрации различных типов грунтов:

Галечник чистый ……………………………более 100 м/сут;

Галечник с песчаным заполнителем..………100-200 м/сут;

Пески чистые разной крупности ……………50-2 м/сут;

Пески глинистые, супеси…………….………2-0,1 м/сут;

Суглинки …………………………...…………менее 0,1 м/сут;

Глины ……………………………...…………..менее 0,01 м/сут.

Таблица 6.1. Зависимость величины падения уровня воды от первоначального напора.

Таблица 6.2. Результаты определения коэффициента фильтрации.

Измерение длительности фильтрации при выбранных уровнях падения воды и градиенте напора следует провести не менее 2 раз, рассчитав после этого среднее значение.

Лабораторная работа №7