Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ГРУНТОВЕДЕНИЕ С ОСНОВАМИ

МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

Программа, методические указания и контрольные задания

для студентов заочной формы обучения специальности

1-46 01 01 «Лесоинженерное дело»

Минск 2005 УДК 624.131(075.8) ББК 38.58 Г-90 Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционноиздательским советом университета Составители:

доцент, канд.техн.наук П.С. Бобарыко;

ассистент Г.С. Корин Рецензент доцент кафедры лесных машин и технологии лесозаготовок БГТУ, канд.техн.наук Г.И. Завойских По тематическому плану внутриуниверситетских изданий учебно-методической литературы на 2005 год. Поз. 169.

Для студентов заочной формы обучения специальности 1-46 01 01 «Лесоинженерное дело».

© Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»,

ВВЕДЕНИЕ

При строительстве дорог широко используются местные грунты как для возведения земляного полотна, так и для устройства дорожных одежд. Многие лесные районы страны недостаточно обеспечены каменными дорожно-строительными материалами. В таких районах местный грунт является основным дорожным материалом.

Однако качество грунта часто не отвечает требованиям дорожного строительства. Кроме того, работа грунта в дорожных сооружениях происходит в сложных природных условиях. Дорожная одежда и земляное полотно дорог находятся в зоне сезонных колебаний температуры и влажности. При увлажнении грунтов земляного полотна значительно изменяется его прочность, а при замерзании и оттаивании возможно возникновение деформаций и разрушений. Особенно сильное разрушающее действие на дорожную одежду и земляное полотно оказывает движущийся транспорт.

Указанные выше особенности усложняют работу грунта в земляном полотне и в дорожной одежде по сравнению с основаниями искусственных сооружений гражданских и промышленных зданий.

Поэтому инженер лесной промышленности (особенно специалист по строительству лесных дорог) должен хорошо знать основы грунтоведения и механики грунтов, физико-механические свойства грунтов и процессы, которые в них протекают под влиянием тех или иных нагрузок. Специалист по строительству и эксплуатации дорог должен уметь воздействовать на грунты с целью улучшения условий их работы и повышения сопротивляемости их внешним нагрузкам.

Только глубокое знание свойств грунтов и способов их искусственного улучшения позволит инженеру принять правильное решение по широкому использованию местных грунтов и повышению качества строительства лесовозных дорог.

В курсе «Грунтоведение с основами механики грунтов»

рассматриваются физико-механические свойства грунтов, дается оценка их пригодности для целей дорожного строительства с учетом использования грунтов в различных конструктивных элементах дороги, изучаются методы улучшения свойств грунтов.

Целью изучения дисциплины является подготовка инженеровтехнологов по специальности 1-46 01 01 «Лесоинженерное дело» к практической работе в области дорожного строительства.

Основная задача дисциплины изучение способов и направлений рационального использования местных грунтов при проектировании и строительстве автомобильных дорог.

В результате изучения дисциплины студент должен:

– уметь определять виды грунтов и знать их основные свойства;

– уметь оценивать пригодность и возможность применения грунтов и других дорожно-строительных материалов в дорожном строительстве;

– изучить методы, которые позволяют преднамеренно воздействовать на грунт с целью получения из него материала с заданными свойствами, соответствующими требованиям дорожного строительства;

– уметь пользоваться приборами и оборудованием при выполнении лабораторных работ и самостоятельно оценивать качество грунтов по результатам исследований.

1. ПРОГРАММА КУРСА Общие сведения о грунтах как дорожно-строительных материалах. Происхождение и классификация горных пород. Состав грунтов. Структура и текстура грунтов. Форма грунтовых частиц.

Структурные связи в грунтах.

Раздел 2. Минералогический и гранулометрический Основные минералы, входящие в состав грунтов. Грунт как дисперсная система. Поглотительная способность грунтов. Дорожная классификация и гранулометрический состав грунтов. Методы определения гранулометрического состава. Влияние минералогического и гранулометрического составов на свойства грунтов. Оптимальные грунтовые и гравийные смеси.

Раздел 3. Физические и водные свойства грунтов Основные физические свойства грунтов. Набухание, усадка, липкость, водопрочность в грунтах, ее виды, свойства и форма связей.

Влагоемкость, водопроницаемость, водопоглащение, водонасыщение и водоотдача грунтов. Влияние влажности грунтов на их физикомеханические свойства. Теплофизические свойства грунтов. Мерзлые и вечномерзлые грунты и их особенности. Водно-тепловой режим грунтов.

Основные закономерности механики грунтов. Деформационные свойства грунтов. Процессы, происходящие в грунтах под действием внешней нагрузки. Реологические свойства грунтов. Устойчивость земляного полотна на слабых основаниях. Модули деформации и упругости грунтов и методы их определения. Деформации грунтов при кратковременных нагрузках.

Раздел 5. Полевое обследование грунтов Задачи инженерно-геологических исследований. Инженерногеологические работы при изысканиях лесовозных дорог. Выработки, применяемые для полевого обследования грунтов. Поиск и разведка дорожно-строительных материалов. Геодезические и радиометрические методы исследования грунтов. Полевая грунтовая лаборатория.

Раздел 6. Техническая мелиорация грунтов Задачи регулирования и улучшения строительных свойств грунтов в дорожных целях. Методы и сущность технической мелиорации грунтов. Способы укрепления грунтов. Укрепление грунтов неорганическими вяжущими материалами. Укрепление грунтов органическими вяжущими. Укрепление грунтов химическими реагентами. Комплексные методы укрепления грунтов. Термическое укрепление грунтов.

Содержание очных лекционных и лабораторных занятий приведено в табл. 1, 2.

2. Грунты как дорожно-строительный материал 4. Искусственное изменение свойств грунтов Содержание лабораторных занятий гранулометрического состава грунтов 2. Определение пределов пластичности грунтов 3. Определение объемной массы песчаных грунтов 4. Определение оптимальной влажности и максимальной плотности грунта

2. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Основной целью контрольной работы является проверка теоретических знаний по изучаемому курсу.

Выполнение контрольной работы позволяет студенту, изучающему курс самостоятельно, проверить свои знания, закрепить их и приобрести навыки в изложении технических вопросов, работе со справочной технической литературой и другими источниками.

В контрольной работе необходимо ответить на 4 вопроса по курсу; произвести подбор оптимальной грунтовой смеси аналитическим и графическим методами.

Номера контрольных вопросов и номер варианта для подбора оптимального состава грунтовой смеси устанавливаются по табл. 3.

Номера контрольных вопросов принимают по первым трем буквам фамилии: первый вопрос по первой букве, второй вопрос по второй и 2 вопроса по третьей. Если фамилия студента содержит менее трех букв, то номера последующих контрольных вопросов устанавливают по последней букве фамилии.

Буква фамилии Ответы на вопросы должны быть четкими и исчерпывающими, сопровождаться рисунками и схемами, выполненными аккуратно карандашом и иметь соответствующие поясняющие надписи.

Материал следует излагать логично и последовательно.

При выполнении контрольной работы следует обязательно писать вначале номер контрольного вопроса и его текст, а затем ответ.

Ответы на вопросы должны быть написаны чернилами четким разборчивым почерком на листах писчей бумаги формата А 4 с одной стороны и аккуратно сброшюрованы.

Схемы и чертежи следует выполнять карандашом с помощью линейки, а не от руки.

В конце контрольной работы необходимо привести список использованной литературы. Выполненная и подписанная работа высылается в университет на факультет заочного обучения не позднее чем за две недели до начала экзаменационной сессии.

Контрольная работа, выполненная небрежно или на бумаге нестандартного размера, будет возвращена студенту без проверки преподавателем.

Справочные материалы для выполнения контрольной работы приведены в приложении.

2.1. Подбор оптимальной грунтовой смеси Подбор (расчет) оптимального состава грунтовой смеси производят аналитическим и графическим методами.

Исходные данные для подбора оптимальной грунтовой смеси приведены в табл. 4.

Расчет оптимального состава грунтовой смеси аналитическим Расчет оптимальной грунтовой смеси аналитическим способом сводится к установлению соотношения между размером добавки и грунтом дороги. Это соотношение определяют по недостающей зависимости:

где П2 – содержание песчаных частиц в оптимальной смеси, %;

П1 – то же в грунте дороги, %; П3 – то же в карьерном грунте, %.

Варианты исходных данных для подбора оптимальной ант песок, пыль, глина, песок, пыль, глина, й емого емого По известному значению «Н» определяют содержание в оптимальной смеси глинистой фракции:

где Г2 – содержание глинистых частиц в оптимальной смеси, %;

Г1 – то же в грунте дороги, %; Г3 – то же в карьерном грунте, %.

Содержание пылеватых частиц в оптимальной смеси определяют по разности Если полученное содержание глинистых частиц Г2 и пылеватых частиц Пл в оптимальной смеси удовлетворяет установленным требованиям, то смесь считается подобранной. Если же полученное содержание глинистых или пылеватых частиц велико (или мало), то производят увеличение (или уменьшение) добавки песка.

Количество грунта, которое необходимо привозить из карьера, определяется по двум признакам: наличию мелкозернистых фракций (пылеватых и глинистых).

Для глинистых грунтов пылеватые и глинистые частицы не должны превышать 35%. Для песчаных грунтов соответственно – не менее 15%.

Затем определяют процент добавки карьерного грунта к дорожному, чтобы в результате смешения этих грунтов получить оптимальную грунтовую смесь подобранного состава.

В первом случае где а0 – количество пылеватых и глинистых частиц в дорожном грунте, %; а1 – то же в карьерном грунте, %.

Зная процент добавки карьерного грунта, определяют его потребное количество для постройки 1 км дорожного покрытия из оптимальной смеси по формуле где b – ширина проезжей части, м; h – толщина улучшения, м; – коэффициент уплотнения грунтов (1,15–1,25); – отношение объемных масс дорожного и карьерного грунтов.

При добавке песка и гравия это отношение принимается равным 0,9–0,95; а при добавке суглинков – 1,05–1,10.

Пример. Подобрать оптимальную грунтовую смесь для устройства улучшенной грунтовой дороги. Ширина улучшенной полосы – 6 м, толщина улучшенного слоя – 0,2 м.

Исходные данные Грунт дороги (Д) состава:

– песчаных частиц – 60%;

– пылеватых частиц – 25%;

– глинистых частиц – 15%.

Грунт карьера (К) состава:

– песчаных частиц – 76%;

– пылеватых частиц – 22%;

– глинистых частиц – 2%.

По этим данным на треугольник наносят точки Д и К.

Расчет оптимальной грунтовой смеси графическим способом с помощью равностороннего треугольника производят в следующей последовательности (см. [1] с. 59). Вычерчивают треугольник, на него наносят зону оптимальной смеси заданного типа (тип А1 или Б1), а также дорожный и карьерный грунт в соответствии с их гранулометрическим составом.

Наиболее распространенные составы оптимальных грунтовых смесей приведены в табл. 5. По данным этой таблицы (тип А1) на треугольник наносят зону оптимальной смеси (рис.).

Рис. Равносторонний треугольник Составы оптимальных грунтовых смесей Размер фракций, мм недостаточного увлажнения 0,002–0, (соответственно точки К и Д), на треугольнике соединяют прямой.

Если эта прямая проходит не через контур оптимальной смеси или не касается его, то из этих двух грунтов оптимальную грунтовую смесь составить нельзя.

Если же прямая пересекает зону оптимальных смесей или касается ее, то путем смешивания карьерного и дорожного грунтов можно получить оптимальную грунтовую смесь.

На прямой выбирают точку «С» и определяют процентное содержание добавок. Для этого измеряют линию Д – К (например, 15 мм) и С – Д (например, 4 мм). Составляют пропорцию где Х – содержание добавки.

Затем определяют количество добавок на 1 км дороги:

где В – ширина покрытия, м; h – толщина улучшаемого слоя грунта, м; 0 – объемная масса скелета плотной оптимальной смеси, т/м3; Х – содержание добавки, %.

Объемная масса скелета плотной оптимальной смеси определяют по формуле где – удельная масса скелета для связных грунтов 2,68 т/м 3 ;

Vр – объем защемленного воздуха в долях единицы, принимают для супесчаных грунтов 0,06; для суглинистых – 0,05; для глинистых – 0,04; 0,6 – среднее число, отношение оптимальной влажности к верхнему пределу пластичности; F0 – верхний предел пластичности оптимального грунта (19–22%), или 0,21 в долях единицы.

Тогда количество добавок на 1 км дороги будет равно 2.2. Контрольные вопросы по курсу Общие сведения о грунтах как дорожно-строительных материалах 1. Общие сведения о грунтах.

2. Значение грунтов в дорожном строительстве.

3. Естественно-исторические условия формирования грунтов.

4. Грунты как дорожно-строительный материал.

5. Состав грунтов.

6. Форма грунтовых частиц, структура и текстура грунтов.

7. Структурные связи.

Минералогический и гранулометрический составы грунтов 8. Основные минералы, входящие в состав грунтов.

9. Грунт как дисперсная система.

10. Поглотительная способность грунтов.

11. Гранулометрический состав и дорожная классификация грунтов.

12. Принципы определения гранулометрического состава грунтов (прямые и косвенные методы).

13. Графические методы изображения гранулометрического состава грунтов.

14. Оптимальные грунтовые и гравийные смеси.

15. Расчет оптимальных грунтовых смесей аналитическим способом.

16. Расчет оптимальных грунтовых смесей графическим способом.

Физические и водные свойства грунтов 17. Основные физические свойства грунтов (влажность, плотность, объемная масса).

18. Основные физические свойства грунтов (пористость, пластичность).

19. Набухание, усадка, липкость, водопрочность, размягчаемость и морозоустойчивость грунтов.

20. Вода в грунтах, ее виды, свойства и формы связей.

21. Влаго- и теплообмен в грунтах.

22. Влагоемкость, водопроницаемость, водопоглащение, водонасыщение грунтов.

23. Влияние влажности грунтов на их физико-механические свойства.

24. Теплофизические свойства грунтов.

25. Мерзлые и вечномерзлые грунты и их особенности.

26. Водно-тепловой режим грунтов.

27. Типы почв, их происхождение и географическое распространение.

28. Основные закономерности механики грунтов.

29. Деформационные свойства грунтов.

30 Сжимаемость сыпучих и связанных грунтов.

31. Сопротивление грунтов сдвигу.

32. Процессы, происходящие в грунтах под действием внешней нагрузки.

33. Реологические свойства грунтов.

34. Устойчивость земляного полотна на слабых основаниях.

35. Задачи инженерно-геологических исследований.

36. Инженерно-геологические работы при изысканиях лесовозных 37. Выработки, применяемые для полевого обследования грунтов.

38. Поиск и разведка дорожно-строительных материалов.

39. Геодезические и радиометрические методы исследования грунтов.

40. Полевая грунтовая лаборатория.

41. Задачи регулирования и улучшения строительных свойств грунтов в дорожных целях.

42. Методы и сущность технической мелиорации грунтов.

43. Укрепление грунтов неорганическими вяжущими материалами.

44. Укрепление грунтов цементом.

Укрепление грунтов известью и силикатом натрия.

45.

Укрепление грунтов органическими вяжущими материалами.

46.

Укрепление грунтов химическими реагентами.

47.

Комплексные методы укрепления грунтов.

48.

Термическое укрепление грунтов.

49.

Основные требования, предъявляемые к грунтам, укрепленным 50.

органическими вяжущими.

51. Битумные и дегтевые эмульсии, применяемые для укрепления грунтов.

ЛИТЕРАТУРА

Вырко Н.П., Леонович И.И. Дорожное грунтоведение с основами механики грунтов. – Мн., 1977.

Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс). – М., 1979, Вырко Н.П., Леонович И.И. Практикум по дорожному грунтоведению. – Мн., 1980.

Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. – М., 1986.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

2. Указания к выполнению контрольной работы

Литература

ПРИЛОЖЕНИЕ

Поверхность грунтов в объеме 1 см в зависимости от степени Степень раздробле Грубодисп ерсные частицы Тонкодисп ерсные частицы Коллоидн частицы а) глинистых Наименов грунтов жирная более 27 2,0–0,05 не нормируется б) крупнообломочных Щебенистый (при преобладании все частицы крупнее 10 мм окатанных частиц – галечниковый) составляют более 50% Дресвяный преобладании все частицы крупнее 2 мм окатанных частиц – гравийный) составляют более 50% в) песчаных Основные группы грунтов по содержанию глинистых частиц глинистых частиц, % основных групп пластичности Пористость некоторых типов грунтов (по А. К. Ларионову) Наименование грунтов наименьшая максимальная гравелистые 19 55 22– Коэффициент фильтрации (К) различных грунтов и характеристика их водопроницаемости (по Н. Н. Маслову) суглинки, тяжелые супеси супеси, песчаные, известняки и мелкозернистые среднезернистые Оптимальная влажность и максимальная плотность грунтов Значения коэффициентов разрыхляемости суглинки, гравий, растительный грунт 1,14–1, Классификация грунтов по группам в зависимости Наименование грунтов Глина:

Грунт растительного слоя:

Песок:

Суглинок:

или гальки Торф:

разрыхленные:

суглинистые Классификация грунтов по их сопротивлению резанию Категория грунтов Число ударов ударника ДорНИИ Угол естественного откоса насыпных грунтов в градусах Наименование грунтов Угол внутреннего трения песчаных грунтов в градусах Песчаные грунты Угол внутреннего трения и сцепление глинистых грунтов Консистенция грунтов Показатели физико-механических свойств грунтов, укрепленных цементом, известью Наименование показателей

I II III

Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов после испытания на морозостойкость, МПа морозостойкость, % оптимально оптимально ся Коэффициент уплотнения стандартной плотности Влажность смеси при уплотнении Расход неорганических вяжущих материалов (цемент, известь) для укрепления грунтов Наименование грунтов Для покрытий Для оснований грунтощебень, оптимальные смеси Пески, а также супеси с числом пластичности менее Супеси с числом пластичности 3–7 и легкие суглинки Суглинки тяжелые и суглинки тяжелые пылеватые Глины песчанистые и глины пылеватые Примечание Расход вяжущих указан в числителе % от веса смеси, в знаменателе – кг/м3.

Расход органических вяжущих материалов грунтощебеночные, смеси Супеси с числом легкие суглинки с числом пластичности 7– Суглинки тяжелые и суглинки тяжелые пылеватые с числом пластичности 12– числом пластичности 17– Примечание Расход вяжущих указан в числителе % от веса смеси, в знаменателе – кг/м3.

Марки гравия по истираемости в полочном барабане Классификация щебня по размерам фракций Марки щебня по истираемости в полочном барабане Расчетные значения модулей деформации грунтов, МПа местности 1-й тип: Мелкие пески, сухие места легкие супеси и пылеватые, 9,0–12,0 12,0–16,0 12,0–15,0 15,0–18,0 15,0–18,0 16,0–20, 2-й тип: Мелкие пески, сырые легкие супеси и места оптимальные 3-й тип: Мелкие пески, постоянное легкие супеси и избыточное оптимальные увлажнение смеси Показатели физико-механических свойств грунтов, укрепленных Наименование жидкими битумами или Предел прочности при при 20 °С, МПа Предел прочности при при 50 °С, МПа Предел прочности при ных образцов, МПа Капиллярное