Физико-механические свойства грунтов (лабораторные работы по механике грунтов)

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

В.В. Фурсов, М.В. Балюра

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ

Учебное пособие

Томск 

Издательство ТГАСУ

2021

УДК 624.131.7 (075.8)
ББК 38.581.1я73

Ф95

Фурсов, В.В.

Физико-механические свойства грунтов. Лаборатор
ные работы по механике грунтов : учебное пособие /
В.В. Фурсов, М.В. Балюра.
–
Томск
: Изд-во Том. 

гос. архит.-строит. ун-та, 2021. – 108 с. – Текст : непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-830-0

В учебном пособии рассмотрены методы определения физико
механических свойств грунтов. Приведены описания и инструкции 
к приборам, аппаратуре для лабораторных испытаний грунтов, оценки 
их свойств в соответствии с современными стандартами. 

Предназначено для проведения лабораторных работ при изуче
нии дисциплин «Механика грунтов», «Инженерные изыскания», «Основы геотехники», «Дорожное грунтоведение» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01, 08.04.01.09 «Строительство» и 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений».

УДК 624.131.7 (075.8)

ББК 38.581.1я73

Рецензенты:
С.В. Ефименко, докт. техн. наук, декан дорожно-строительного 
факультета, зав. кафедрой автомобильных дорог ТГАСУ;
С.Г. Колмогоров, канд. техн. наук, доцент кафедры «Основания
и фундаменты» Петербургского государственного университета 
путей сообщения Императора Александра I.

ISBN 978-5-93057-830-0
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2021

© Фурсов В.В., Балюра М.В., 2021

Ф95

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ....................................................................................3
Лабораторная работа № 1. Определение влажности грунта 
методом высушивания до постоянной массы ..........................7
Лабораторная работа № 2. Определение границы 
текучести ........................................................................................10
Лабораторная работа № 3. Определение границы 
раскатывания ...............................................................................13
Лабораторная работа № 4. Определение плотности
частиц грунта пикнометрическим методом ...........................16
Лабораторная работа № 5. Определение плотности 
грунта методом режущего кольца.............................................20
Лабораторная работа № 6. Определение 
гранулометрического состава глинистых грунтов
(по методам Сабанина и Рутковского) ....................................24
Лабораторная работа № 7. Определение 
гранулометрического (зернового) состава песчаных 
грунтов ситовым методом ..........................................................31
Лабораторная работа № 8. Компрессионные испытания 
грунтов ...........................................................................................39
Контрольные вопросы ................................................................56
Лабораторная работа № 9. Определение сопротивления 
грунтов сдвигу методом одноплоскостного среза .................57
Контрольные вопросы ................................................................68
Лабораторная работа № 10. Определение степени 
морозной пучинистости ..............................................................70
Список рекомендуемой литературы ........................................80
Приложение 1. Определение характеристик сжимаемости 
грунтов по результатам штамповых испытаний .........................83
Приложение 2. Нормативные значения угла внутреннего 
трения и удельного сцепления ......................................................92
Приложение 3. Паспорт испытания грунта на срез ..................94

Приложение 4. Статистическая обработка результатов 
экспериментальных определений прочностных 
характеристик грунтов ..................................................................95
Приложение 5. Паспорт инженерно-геологического 
элемента.........................................................................................104
Приложение 6. Журнал испытания грунта для определения 
пучинистости.................................................................................105
Приложение 7. Глоссарий ..........................................................106

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью лабораторных работ по механике грунтов является

закрепление теоретических знаний, полученных в процессе прослушивания лекционного курса и самостоятельного изучения 
нормативной, научно-технической и учебной литературы.

Студенты должны ознакомиться с методической литерату
рой, стандартами и сводами правил, указанными в списке рекомендуемой литературы, с приборами и оборудованием, необходимым для выполнения лабораторных работ, и последовательностью их проведения. Перед выполнением каждой лабораторной работы преподаватель проводит опрос по предстоящей работе, отвечает на вопросы и дает указания по технике безопасности. 

Результаты выполненных лабораторных испытаний и по
лученные значения свойств грунтов заносятся в таблицы журнала, строятся необходимые графики, формулируются выводы. 
Итоги лабораторных испытаний, проведенных каждой подгруппой, обсуждаются, проверяются, подписываются студентами 
и преподавателями.

Выполнение лабораторных работ способствует приобрете
нию студентом знаний основных законов и принципиальных 
положений механики грунтов, методов постановки и проведения 
экспериментов по определению свойств грунтов, их характеристик, а также умений правильного прогнозирования изменений
строительных свойств грунтов, навыков экспериментальной 
оценки их физико-механических характеристик.

Изучение механики грунтов послужит ознакомлению сту
дентов с нормативной базой в области инженерных изысканий.

Проведенный цикл лабораторных работ будет способство
вать усвоению методов определения напряжений в массиве 
грунта и деформаций основания под действием внешних нагрузок, количественного прогнозирования напряженно-деформированного состояния и устойчивости сооружений.

Физические характеристики следует определять не менее 

чем для двух параллельных проб, отбираемых из исследуемого 
образца грунта.

Значения физических характеристик вычисляют как сред
нее арифметическое из результатов параллельных определений. 
Разница между параллельными определениями не должна превышать значений, указанных в обязательном приложении [1]. 
Количество определений увеличивают, если разница превышает 
допустимое значение.

Плотность грунтов вычисляют с точностью до 0,01 г/см3; 

влажность до 30 % – с точностью до 0,1 %; влажность более 
30 % – с точностью до 1 %.

Погрешность измерения массы (взвешивания) не должна 

превышать: при массе от 100 г до 1 кг – 0,02 г, при массе 
1…5 кг – 5 г.

Пособие содержит примеры расчетов
характеристик 

свойств грунтов, оформления таблиц, паспортов (протоколов) 
испытаний и выводов. В лабораторной работе № 8 приведены 
данные по корректировочным коэффициентам Еoed [9] для Томска, разработанным на кафедре «Основания, фундаменты и испытания сооружений» ТГАСУ, согласованные с НИИОСП Госстроя РФ и утвержденные для применения всеми проектноизыскательскими организациями. 

К лабораторной работе № 9 в прил. 4 даны необходимые 

сведения и примеры о статистической обработке результатов [6]
экспериментальных определений прочностных характеристик 
грунтов, определения нормативных и расчетных значений характеристик.

При проведении испытаний грунтов следует руководство
ваться государственными стандартами [1…8]. 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА МЕТОДОМ 

ВЫСУШИВАНИЯ ДО ПОСТОЯННОЙ МАССЫ

Влажность грунта определяется как отношение массы во
ды, удаленной высушиванием из грунта до постоянной массы, 
к массе высушенного грунта.

Подготовка к испытаниям

Для определения влажности грунта отбирают пробу массой 

15…50 г, помещают во взвешенный и пронумерованный бюкс
с плотно закрывающейся крышкой.

Для определения гигроскопической влажности грунта от
бирают способом квартования пробу массой 10…20 г из грунта 
в воздушно-сухом состоянии, предварительно растертого, просеянного сквозь сито с сеткой № 1, выдержанного открытым 
не менее 2 ч при данной температуре и влажности воздуха.

Проведение испытаний

Грунт взвешивают в закрытом бюксе.
Бюкс открывают и вместе с крышкой помещают в нагре
тый сушильный шкаф (рис. 1.1). 

Грунт высушивают при температуре (105  2) °С до посто
янной массы, песчаные грунты – в течение 3 ч, а остальные 
грунты – в течение 5 ч. 

Последующие высушивания песчаных грунтов производят 

в течение 1 ч, остальных – в течение 2 ч.

Грунт в бюксе охлаждают в эксикаторе до температуры 

помещения и взвешивают после каждого высушивания. Высушивание производят до получения разности масс грунта с бюксом при двух последующих взвешиваниях не более 0,02 г.

Если у грунтов, содержащих органические вещества, при 

повторном взвешивании наблюдается увеличение массы, то за 
результат взвешивания принимают наименьшую массу.

Рис. 1.1. Высушивание образцов грунтов в сушильном шкафу

Обработка результатов

Влажность грунта w, д. е., определяют по формуле:

2
3

3
4

,
m
m
w
m
m

−
=
−
(1.1)

где m1 – масса бюкса с крышкой, г; m2 – масса влажного грунта 
с бюксом и крышкой, г; m3 – масса высушенного грунта с бюксом и крышкой, г.

Влажность грунта рассчитывается по формуле (1.1) и ре
зультаты заносятся в табл. 1.1.

Пример:

Таблица 1.1

Определение влажности грунта

Номер 
бюкса

Масса 
бюкса с 
крышкой,

г

Масса бюкса с грунтом и крышкой, г
Естественная 

влажность 
грунта, д. е.

при естественной 

влажности
сухого грунта

№
m1
m2
m3
w

001
13,78
28,04
25,46
0,221

Влажность грунта допускается выражать в долях единицы

или в процентах.

(
)
2
3

3
1

28,04
25,46
0,221
22,1% .
25,46 13,78

m
m
w
m
m

−
−

−
=
=
=
−

Вывод: выполненным лабораторным испытанием установ
лено, что влажность образца грунта составляет w = 0,221 (22,1 %).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ ТЕКУЧЕСТИ

Границу текучести следует определять как влажность пас
ты, приготовленной из исследуемого грунта, при которой балансирный конус (массой 76 г, с углом при вершине 30 град) погружается на глубину 10 мм под действием собственного веса за
5 с [1].

Подготовка к испытаниям

Границы текучести определяются на образцах, для кото
рых требуется сохранение природной влажности.

Грунт природной влажности разминают шпателем в фар
форовой чашке, удалив из него растительные остатки.

Отбирают из размельченного грунта методом квартования 

пробу массой около 300 г и протирают сквозь сито с сеткой № 1. 
Ее выдерживают в закрытом стеклянном сосуде.

Грунт в воздушно-сухом состоянии растирают в фарфоро
вой ступке, не допуская дробления частиц грунта, удаляя из него 
растительные остатки, просеивают сквозь сито с сеткой № 1, 
увлажняют дистиллированной водой до состояния густой пасты, 
перемешивая шпателем, и выдерживают в закрытом стеклянном
сосуде. Сухой грунт добавлять в пасту не допускается.

Проведение испытаний

Тщательно перемешенную грунтовую пасту небольшими 

порциями плотно укладывают в цилиндрическую чашку или 
бюкс. Поверхность пасты вровень с краями чашки тщательно 
заглаживают шпателем.

К поверхности грунтовой пасты подводят балансирный 

конус (смазанный тонким слоем вазелина) так, чтобы его острие 
касалось пасты. 

Балансирный конус плавно отпускают, позволяя ему по
гружаться в пасту под действием собственного веса.

Погружение балансирного конуса в пасту на глубину 

10 мм в течение 5 с показывает, что грунт имеет влажность, соответствующую границе текучести.

Если погружение балансирного конуса в течение 5 с будет 

менее 10 мм, то грунтовую пасту извлекают из чашки, присоединяют к оставшейся пасте, добавляют немного дистиллированной 
воды, тщательно перемешивают ее и повторяют операции.

Если погружение балансирного конуса в течение 5 с будет 

больше 10 мм, то грунтовую пасту из чашки перекладывают 
в фарфоровую чашку, слегка подсушивают на воздухе, перемешивая шпателем, и повторяют операции.

Определение границ текучести и раскатывания показано

на рис. 2.1.

а 
б

Рис. 2.1. Определение границ текучести wL и раскатывания wp:

а – тестирование глинистого грунта конусом Васильева при определении wL; б – раскатывание глинистых грунтов в жгуты при 
определении wp

При достижении границы текучести из пасты для определе
ния влажности следует отобрать пробы массой 15…20 г в соответствии с требованиями, указанными в лабораторной работе № 1.

Влажность на границе текучести wL, д. е., определяют по 

формуле (2.1) и результаты заносятся в табл. 2.1:

2
3

3
1

,

−

−
=
(2.1)

где m1 – масса бюкса с крышкой, г; m2 – масса влажного грунта 
с бюксом и крышкой при влажности на границе текучести, г;
m3 – масса высушенного грунта с бюксом и крышкой, г.

Пример:

Таблица 2.1

Определение влажности на границе текучести

Номер 
бюкса

Масса 
бюкса с 
крышкой,

г

Масса бюкса с грунтом и крышкой, г
Влажность на 
границе теку
чести, д. е.

при влажности на 
границе текучести
сухого грунта

№
m1
m2
m3
wL

002
13,96
28,41
25,28
0,277

2
3

3
1

−

−
=
(
)
28,41 25,28
0,277
27,7% .
25,28 13,96

−

−
=
=

Вывод: выполненным лабораторным испытанием установ
лено, что влажность на границе текучести образца грунта составляет wL = 0,277 (27,7 %).