Дослідження фізико-механічних характеристик ґрунтів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторна робота 1. Дослідження фізико-механічних характеристик ґрунтів

Мета роботи: вивчення фізико-механічних характеристик ґрунтів і одержання практичних навичок по експериментальних дослідженнях механічних властивостей ґрунтів.

1.1 Загальні відомості

Розробка ґрунтів завжди починається з їхнього руйнування, тому знання механічних характеристик ґрунтів і способів їхнього визначення дозволяє вибирати робочі органи і конструкцію машин для земляних робіт.

Розглянемо ознаки ґрунтів, найбільш необхідні для оцінки умов застосування машин для земляних робіт.

Міцність - опір гірської породи загальному руйнуванню. Чисельно міцність ґрунту може бути представлена коефіцієнтом міцності [1], обумовленим по при одноосьовому стиску

, (1.1)

де f - коефіцієнт міцності при одноосьовому стиску, МПа;

P - навантаження на ґрунт при одноосьовому стиску, Н;

F - площа поперечного перетину зразка, м2.

Відповідно до методики М.М. Протодяконова всі гірські породи по міцності розділяються на 10 категорій з коефіцієнтом від f =20 і більш для I категорії до f = 0,3 і менш для X категорії.

Опір різанню - здатність гірської породи пручатися механічному впливові, що викликає сукупність напруг стиску, розтягання і зрушення, подолання яких завершується руйнуванням породи і відділенням шматків від масиву.

Опір ґрунту різанню характеризується коефіцієнтом питомого опору різанню , значення якого визначається експериментально в залежності від роду і стану ґрунту або обчислюється по емпіричній залежності, запропонованої проф. М.Г. Домбровським [2]

, (1.2)

де - коефіцієнт пропорційності, що коливається в межах 1,6...2,1 [2]; більше значення коефіцієнта пропорційності варто приймати для більш міцних ґрунтів.

Схема лабораторної установки для визначення міцності ґрунтів при одноосьовому стиску подана на рисунку 1.1, а.

а - лабораторна установка для іспиту зразків при одноосьовому стисненні; б - щільномір (ударник ДорНДІ)

Рисунок 1.1 - Схеми обладнання для дослідження міцності ґрунтів

Різання - основний засіб розробки ґрунтів, за принципом якого улаштоване і діє більшість землерийних та землерийно-транспортних машин. Тому опір різанню - один з найважливіших факторів проектування й експлуатації машин для земляних робіт.

У залежності від опору різанню ґрунти поділяються на категорії. Міцність ґрунтів у даному випадку характеризується середньомаксимальним питомим опором вільного зрізу гострим ножем, що відокремлює стружку при куті різання 45° (рисунок 1.2) [3].

Рисунок 1.2 - Схема вільного зрізу ґрунту гострим ножем

Це характеризує опір ґрунту, що приходиться на одиницю площі поперечного перетину зрізу при відділенні стружки від ґрунтового масиву. Встановлено [3], що для глинистих ґрунтів між середньомаксимальним питомим опором вільному зрізові гострим ножем зчепленням ґрунту С и тимчасовим опором стискові існує залежність

? 0,21 ? 0,66С.

Для орієнтованого визначення міцності ґрунтів, області застосування проектованої землерийної машини, а також сил різання можна використовувати таблицю 1.1.

Таблиця 1.1 - Класифікація ґрунтів по міцності

Для оцінки труднощів розробки ґрунтів можна скористатися методом, запропонованим ДорНДІ, за допомогою щільноміру (ударника ДорНДІ - рисунок 1.1, б).

Щільномір являє собою стрижень, по якому між двома закріпленими шайбами розташовується вантаж масою 2,5 кг. Стрижень встановлюють одним кінцем на поверхню ґрунту, піднімають вантаж у верхнє положення, і відпускають його. Падаючи, вантаж ударяє по нижній шайбі, при цьому робота одного удару складає 10 Н·м. Під дією сили удару стрижень впроваджується в ґрунт. У залежності від властивостей ґрунту для впровадження на глибину 100 мм потрібне різне число ударів.

Між числом ударів і опором ґрунтів різанню мається наступна залежність:

Щільність - відношення маси породи до її обсягу при природній вологості

, (1.3)

де - щільність ґрунту (породи), кг/м3;

m - маса зразка, кг;

V - обсяг зразка, м3.

Вологість - процентне відношення маси води, що утримується в ґрунті, до маси сухого ґрунту

, (1.4)

де - вологість ґрунту, %;

- маса води, кг;

- маса сухого ґрунту, кг.

В умовах помірного клімату в суху погоду ґрунти звичайно мають вологість 10...20%.

Об'ємна маса ґрунту - маса його твердих часток без маси води і пір

, (1.5)

де - об'ємна маса кістяка ґрунту, кг/м3;

- щільність ґрунту при природній вологості, кг/м3.

Питома маса ґрунту - відношення маси твердих часток до обсягу витиснутої ними рідини

, (1.6)

де - маса твердих часток, кг;

- обсяг витиснутої рідини із зразка, м3.

Питома маса більшості мінеральних часток ґрунту складає 2,4...2,8т/м3, органічних речовин 1,2...1,4т/м3.

Розпушуваність - здатність ґрунту збільшуватися в обсязі при його руйнуванні. Розпушуваність характеризується коефіцієнтом розпушення, що представляє відношення обсягу розпушеної породи до первісного її обсягу

, (1.7)

де - коефіцієнт розпушення;

- обсяг ґрунту в розпушеному стані, м3;

- обсяг нерозпушеного, ґрунту, м3.

Розпушуваність характеризується також коефіцієнтом зменшення щільності (об'ємної маси), що визначається відношенням щільності ґрунту або іншого будівельного матеріалу в розпушеному стані (наприклад, після дроблення) до щільності в природному стані

, (1.8)

де - коефіцієнт зменшення щільності;

і - щільності ґрунту розпушеного й у природному стані, кг/м3.

При розрахунку ущільнення перевезеного матеріалу після його розвантаження враховують коефіцієнт ущільнення , що дорівнює відношенню щільності матеріалу в природному стані і після ущільнення

, (1.9)

де - щільність ґрунту після ущільнення, кг/м3.

Для більшості ґрунтів =0,65...0,90,=1,1…1,7,а =0,75...0,90.

Стисливість - властивість ґрунтів, що полягає в здатності змінювати свою будівля під впливом зовнішніх впливів на більш компактну за рахунок зменшення пористості [3].

Зміна обсягу ґрунтів при стиску - нелінійна функція (див. рисунок 1.3).

1 - період ущільнення; 2 - період розпушення

Рисунок 1.3 - Компресійна крива ґрунтів

Компресійна крива відбиває деяку сумарну зміну обсягу пір, що викликане загальною деформацією стиску ґрунтів, що складається з пружних деформацій часток, змін їхнього взаємного положення і відстані між ними, деформацій водно-колоїдних оболонок води, і інших процесів,

Відповідно до характеру залежності деформації ґрунтів від навантаження модуль стиску ґрунтів - величина непостійна: вона збільшується зі збільшенням деформації. Однак в інженерних розрахунках допускається в ряді випадків розглядати деформацію ґрунтів як лінійну функцію тиску. Це дозволяє характеризувати опір ґрунтів коефіцієнтом опору зминанню (коефіцієнтом пружності підстави), обумовленим навантаженням, під дією якої стрижень з опорною поверхнею торця 1 см2 зануриться на 1 см

, (1.10)

де - коефіцієнт опору зминанню, Н/см3;

- вертикальне навантаження, що діє на стрижень, Н;

- площа опорної поверхні стрижня, см2;

h - зсув опорної поверхні стрижня під дією навантаження , см.

Для звичайних піщано-глинистих ґрунтів цей показник дорівнює 0,02...0,1 МПа. Допустимим навантаженням вважається таке, при якому опорна поверхня машини занурюється не більше ніж на 12 см.

Розрахункові модулі деформації для середьозернистого піску складають 35...45 МПа, суглинків і глин - 7...22 МПа.

Як показує практика [1, 2], при механічному впливі вібраційними тромбуючими або іншими пристроями добре ущільнюються лише пухкі мало вологі піщані та водонасичені ґрунти із легко порушуємим контактом між мінеральними частками.

Абразивність - властивість ґрунтів з частками великої твердості зношувати інструмент, деталі робочих органів, деяких транспортних вузлів і ходового устаткування машин. У результаті зносу порушуються проектні умови взаємодії машини з ґрунтом, істотно збільшуються опори різанню й енергоємність руйнування ґрунтів.

За міру абразивності прийнятий відносний знос, вимірюваний відношенням об'ємного зносу сталі до об'ємного зносу ґрунту або породи

, (1.11)

де - відносний знос сталевого зразка;

- об'ємний знос ґрунту.

На процес взаємодії робочих органів землерийних машин із ґрунтом впливає опір зовнішньому тертю, оцінюваний коефіцієнтом тертя між робочим органом і ґрунтом, що може змінюватися в широких межах, у залежності від стану ґрунтів. Так, зі збільшенням тиску коефіцієнт тертя збільшується, а зі збільшенням вологості ґрунту - зменшується. Значення коефіцієнта тертя між робочим органом і ґрунтом у розрахунках можна приймати в наступних межах: = 0,1...0,2-для вологих глин і = 0,52...0,53-для кременистих порід.

Гранулометричний склад, кут природного укосу, кут внутрішнього тертя й інші фізико-механічні властивості ґрунтів визначаються методами, відомими з курсу «Вантажопідйомна, транспортна та транспортуюча техніка. Частина 2.».

1.2 Лабораторне обладнання

Машина для іспиту зразків на розтягання - стиск типу ДМ-30, навантажувальний пристрій з мірними вантажами, ваги, судина для виміру обсягу насипного вантажу, штангенциркуль, зразки ґрунту, щільномір.

Таблиця 1.2 - Визначення опору ґрунтів копанню

Таблиця 1.3 - Визначення коефіцієнтів опору ґрунтів зминанню

1.3 Порядок виконання роботи

1 Вивчити інструкцію до лабораторної роботи.

2 Вивчити паспорт, технічний опис і будова машини для іспиту зразків на розтягання - стиск типу ДМ-30, а також паспорт індикатора навантажень (паспорти додаються).

3 Замірити розміри й обчислити площу поперечного перерізу трьох зразків ґрунту, що підлягають руйнуванню. Дані занести до таблиці 1.2.

4 Зробити руйнування трьох зразків на машині ДМ-30 і одночасно зафіксувати максимальне відхилення стрілки індикатора, показання занести до таблиці 1.2.

5 Визначити за допомогою тарувального графіка максимальні навантаження, при яких руйнувалися досліджувані зразки ґрунту.

6 За формулою (1.1) визначити коефіцієнти міцності для кожного зразка, а потім середнє значення .

7 За формулою (1.2) обчислити коефіцієнт опору ґрунту копанню. Дані вимірів і розрахунків звести до таблиці 1.2.

8 Замірити довжину, ширину і висоту контрольного зразка ґрунту і занести дані вимірів до таблиці 1.3.

9 Зробити зважування контрольного зразка ґрунту.

10 Обчислити обсяг контрольного зразка ґрунту V, а потім за формулою (1.3) визначити щільність ґрунту, по формулах (1.5) і (1.6) визначити об'ємну масу і питому масу ґрунту.

11 Насипати таку ж масу розпушеного ґрунту в судину циліндричної форми і визначити обсяг ґрунту в розпушеному стані.

12 За формулою (1.7) визначити коефіцієнт розпушення. Дані вимірів і розрахунків за пунктами 4...7 занести до таблиці 1.4.

13 Замірити геометричні розміри пліч важеля l1 і l2 і діаметр пуансона d навантажувального пристрою. Дані занести до таблиці 1.3.

14 Наповнити судину ґрунтом (у розпушеному стані) приблизно на 3/4 його висоти і трамбуванням злегка ущільнити.

15 Поставити судину із ґрунтом під пуансон навантажувального пристрою, установити контрольну лінійку і змістити шкалу відліку на штоку пуансона у вихідне положення.

16 Навантажуючи підвіскові важелі мірними вантажами (до 5 шт.), зафіксувати величину опади пуансона в судині та на вільній поверхні ґрунту.

17 Обчислити величину навантаження на пуансон, потім за формулою (1.10) визначити коефіцієнт опору ґрунту зминанню. Дані вимірів і розрахунків по пунктах 14...17 занести до таблиці 1.3.

18 Побудувати графік залежності деформації (дня періоду ущільнення) ґрунту від тиску (див. рисунок 1.3).

ґрунт гірський міцність порода

Таблиця 1.4 - Визначення щільності ґрунтів

1.4 Зміст звіту

1 Короткий опис механічних властивостей ґрунтів.

2 Схеми установок для визначення міцності ґрунтів і опору ґрунту вдавленню.

3 Результати експериментальних досліджень (заповнені таблиці 1.2, 1.3, 1.4).

4 Висновки з роботи.

1.5 Питання для контролю

1 Перелічите основні фізичні властивості ґрунтів.

2 Назвіть механічні характеристики ґрунтів і дайте визначення міцності гірських порід.

3 В яких одиницях виміряється міцність гірських порід?

4 Як визначити масу розпушеного ґрунту при відомій масі ґрунту у вибої?

5 Наведіть основні класифікації гірських порід по міцності.

6 Чим викликаний розподіл гірських порід на категорії по міцності?

7 Перелічите основні засоби руйнування гірських порід.

Размещено на Allbest.ru