Естественный откос щебня. Определение угла естественного откоса песчаного грунта

Углом естественного откоса φ, град., называется угол, при котором неукрепленный откос песчаного грунта сохраняет равновесие или угол наклона поверхности свободно насыпанного грунта к горизонтальной плоскости.

Определение угла естественного откоса имеет важное значение при проектировании грунтовых сооружений: насыпных и намывных плотин, дорожных насыпей, дамб обвалования, хвостохранилищ, а также для оценки устойчивости естественных откосов и для проведения мероприятий но их укреплению.

В тех случаях, когда сопротивление сдвигу" частиц определяется лишь силами трения. угол естественного откоса совпадает с углом внутреннего трения {φ = φо ). Однако в реальных грунтах сопротивление сдвигу" зависит не только от сил трения, но также от зацепления частиц и других факторов, влияющих на φ, т. е.

где φ р, - составляющая за счет трения; φ Л - то же, за счет зацепления; φ с - то же, за счет среза частиц.

Составляющая φ Т зависит от минерального состава частиц, наличия поверхностных пленок и др., φ Л - от шероховатости поверхности и плотности упаковки частиц, а φ с - от окатанности и формы частиц грунта. Поэтому значения φ и φ о обычно различаются, особенно для плотных и неоднородных по структуре песков. Однако угол естественного от

коса φ о является легко определяемой и удобной характеристикой прочности несвязных грунтов. Способ применяется только для приближенного определения величины внутреннего трения сыпучих грунтов - чистых песков. В чистых песках приближенно величина угла внутреннего трения соответствует углу естественного откоса, т. с. углу, при котором неукрепленный откос песчаного грунта является устойчивым .

Угол естественного откоса определяют на приборе УВТ (рис. 8.44), который состоит из металлического столика-поддона, обоймы и резервуара. Поддон установлен на тpex опорах и перфорирован отверстиями диаметром 0,8...1,0 мм для водонасыщения песка. Шкала, укрепленная в центре столика-поддона, имеет деления от 5° до 45°, по которым определяется угол откоса.

Рис. 8.44. Прибор для определения угла естественного откоса песчаных грунтов: а схема прибора: 1 резервуар: 2 крышка резервуара: 3 обойма: 4 столик: 5 перфорированное дно: 6 - шкала: 7 - опора: б - общий вид приборов

Определение угла естественного откоса в воздушно-сухом состоянии . На столик устанавливают обойму, в которую через воронку насыпают песок до ее заполнения, слегка постукивая по обойме. Осторожно, стараясь не рассыпать песок, вертикально поднимают обойму и но вершине образовавшегося песчаною конуса берут отсчет по шкале.

Опыт повторяют 3 раза и рассчитывают среднее арифметическое показание. Расхождение между повторными определениями не должно превышать 1 градус.

Определение угла естественного откоса песка под водой . После заполнения обоймы песком резервуар наполняют водой и после полного насыщения пробы определяют угол естественного откоса.

Для предварительного назначения откосов котлованов и карьеров рекомендуется руководствоваться значениями углов, близкими к углам естественного откоса грунта (табл. 8.61).

Таблица 8.61

Угол естественного откоса насыпных грунтов

На величину угла естественного откоса (#>") несвязных грунтов влияет однородность их гранулометрического состава: монодисперсные грунты обладают большим значением φо, чем полидисперсные грунты такого же минерального состава. Это объясняется тем, что в смеси мелкие частицы заполняют промежутки между крупными, что облегчает их смешение по поверхности откоса.

Большое влияние на трение между частицами несвязного грунта оказывает наличие в грунте жидкостей, присутствие которых снижает φ. В несвязных песчаных грунтах влажность существенно влияет на угол внутреннего трения. С ростом влажности песка до максимальной молекулярной влагоемкости величина φо закономерно снижается за счет постепенного уменьшения трения и достигает минимума при максимальной молекулярной влагоемкости. Дальнейшее увеличение влажности песка приводит к образованию капиллярной связности между частицами; за счет этого угол внутреннего трения начинает увеличиваться и достигает максимума при влажности капиллярной влагоемкости, когда силы капиллярного притяжения между частицами наибольшие. Последующее увеличение влажности песка снижает капиллярную связность, трение на контактах частиц снижается, и угол внутреннего трения постепенно уменьшается, достигая минимального значения в состоянии полного водонасыщения песка .

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:

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.

Углом естественного откоса грунта называется наибольшее значение угла, который образует с горизонтальной плоскостью поверхность грунта, отсыпанного без толчков; сотрясений и колебаний.
Угол естественного откоса зависит от сопротивления грунта сдвигу. Для установления этой зависимости представим себе грунтовое тело, рассеченное плоскостью а - а, наклоненной к горизонту под углом а (рис. 22).

Часть грунта выше плоскости а - а, рассматриваемая как единый массив, может оставаться в покое или прийти в движение под действием силы P - собственного веса и воздействия возведенного на нем сооружения.
Разложим P на две силы: N = P cos а, направленную нормально к плоскости а - а и силу T = P sin а, параллельную плоскости а - а. Сила T стремится сдвинуть отсеченную часть, которая удерживается силами сцепления и трения в плоскости а - а.
В состоянии предельного равновесия, когда сдвигающая сила уравновешивается сопротивлением трения и сцепления, но когда сдвига еще нет, выполняется равенство 26, т. е. T = N tg ф + CF.
В глинистых грунтах сдвигу в основном противодействует сцепление.

Лабораторная работа 1. Определение величины угла ссыпания и угла естественного откоса зернисто-кускового материала

Цель работы. Определить величины угла естественного откоса и угла ссыпания зернисто-кускового материала.

Теоретические положения . Зернисто-кусковой материал, лежащий на наклонной плос­кости (например, на наклонной плоскости бункера , на наклон­ном ленточном транспортере и т. д.), при определенном угле наклона этой плоскости к горизонту начинает ссыпаться по ней. Такой предельный угол наклона называется углом ссыпания.

В зависимости от формы кусочков можно наблюдать два ви­да движения кускового материала по плоскости ссыпания: сколь­жение и перекатывание. Скольжение наблюдается при кусках с развитыми плоскими гранями; передвижению кусков здесь препятствует трение скольжения между гранями кусков и плос­костью ссыпания. Качение наблюдается при форме кусков, близкой к шару. В этом случае передвижение куска происходит как скатывание его, с сопротивлением трения качения.

Предельное состояние покоя слоя кускового материала на наклонной плоскости имеет место тогда, когда сила трения F равна проекции М силы тяжести G на эту плоскость (рисунок 1). С другой стороны, эта же сила трения пропорциональна нор­мальному давлению кускового материала на наклонную плос­кость

F = M = fN ,

откуда f = М / N = tgα

где f – коэффициент трения, определяемый свойствами самого материала, равный tga ;

α – угол ссыпания зернисто-кускового материала.

Рисунок 1

Если рассматривать весь слой сыпучего материала , который перемещается по гладкой наклонной плоскости, то здесь, даже в случае кусков шарообразной формы, происходит скорее сколь­жение материала по плоскости, чем перекатывание, так как весь материал «течет» сплошной массой.

Угол ссыпания зависит от коэффициента трения материала о плоскость ссыпания, от формы и крупности кусков, от структу­ры поверхности, по которой происходит ссыпание (поверхность может быть гладкой, шероховатой, ребристой и т. д.), а также он влажности самого кускового материала.

Если насыпать зернисто-кусковой материал на горизонталь­ную плоскость, то он располагается на ней в виде конуса. Угол между образующей этого конуса и горизонтальной плоско­стью называется углом естественного откоса зернисто-кускового материала.

Угол естественного откоса всегда больше угла ссыпания (для одного и того же материала), так как наличие неровностей на поверхности материала препятствует скатыванию, а тем более скольжению кусков. Угол естественного откоса в большой степе­ни зависит от фракционного состава кускового материала, ибо последний определяет собой общую структуру поверхности ко­нуса. Эта разнородность размера кусков вызывает в то же вре­мя преимущественное скатывание крупных кусков материала на край насыпаемой кучи, вследствие того, что неровности поверх­ности оказывают меньшее сопротивление перекатыванию крупн ых кусков, чем мелких (рисунок 2). Неравномерное распределение кусков по крупности необходимо учитывать при загрузке насадочных абсорберов, шахтных печей и т. д., так как в местах рас­положения крупных кусков, т. е. на-периферии, получается боль­шее сечение каналов и газ пойдет преимущественно по этим ка­налам, имеющим меньшее гидравлическое сопротивление.

Тонко измельченные материалы имеют больший угол естест­венного откоса, т. е. меньшую сыпучесть, в связи с более разви­той поверхностью трения.

Рисунок 2

Угол естественного откоса значительно зависит от влажности материала, потому что вода, располагаясь на поверхности кус­ков, вызывает слипание их и тем самым затрудняет движение отдельных кусков. Чем меньше куски материала, тем больше проявляется влияние влажности; но чрезмерное увлажнение приводит к увеличению послойной текучести жидкости между кусочками материала, и угол естественного откоса вновь умень­шается (таблица 1).

Таблица 1

Угол естественного откоса и угол ссыпания резко уменьшают­ся при движении материала и плоскости, на которой он лежит. При сотрясениях или вибрациях материал интенсивно рассыпа­ется, растекается, стремясь принять горизонтальное положение, так как при вибрациях в отдельные моменты уменьшается вза­имное трение по поверхности соприкосновения кусочков друг с другом и кусочков с плоскостью. На этом основано применение вибротранспортирующих устройств, вибраторов для облегчения разгрузки бункеров, самосвалов и дозирующих устройств.

Знание углов естественного откоса и ссыпания необходимо при проектировании складских помещений, транспортеров, шахт­ных печей, где имеют дело с сыпучими материалами. Невозмож­ность учета теоретически всех факторов, определяющих величи­ну этих углов, приводит к необходимости экспериментального их определения.

Описание установки. Для определения угла естественного откоса используется гладкая горизонтальная плоскость с нанесенными на ней делениями в сантиметрах и короткий металлический цилиндр; для определения угла ссыпания - прибор, состоящий из вала 1, на который навертывается шнур, кронштейна 2, через который шнур соединяется с подъемной доской 3, и угломера 4, установленного у оси вращения подъемной доски. Подъемная доска снабжена указателем, показывающим на угломере угол ее подъема (рисунок 3). Для сбора ссыпавшейся массы поставлен ящик. В рабо­те используется также линейка, весы и прямоугольная металли­ческая рамка.

Рисунок 3

Проведение опыта и запись наблюдений. При определении углов естественного откоса и ссыпания ис­пользуется сыпучий материал двух или трех сортов крупности.

А. Определение угла естественного откоса

1. Установить металлический цилиндр в центре горизонталь­ной плоскости,

2. Набрать совком сыпучий материал и высыпать его в цилиндр.

3. Медленно поднять цилиндр, предоставив материалу сво­бодно рассыпаться по плоскости.

Б. Определение угла ссыпания

1. Уложить на подъемной доске прямоугольную металличес­кую рамку и полностью засыпать ее сыпучим материалом.

2. Снять прямоугольную рамку и, медленно вращая вал, при­вести подъемную доску в наклонное положение.

3. Когда материал начнет ссыпаться, прекратить подъем до­ски и записать угол ее наклона. Перенести весь материал с подъемной доски и ее подставки на лист бумаги, взвесить мате­риал, добавить определенное количество воды (заданное препо­давателем), тщательно перемешать и произвести с влажным ма­териалом те же определения (этапы А, 1 - 4 и Б,

Результаты опытов внести в таблицу 2.

Таблица 2

Обработка результатов опыта. Пользуясь соотношением определить величину tg α и по таблицам найти соответству­ющее значение α.

font-size:14.0pt; font-family:" times new roman>где α – угол естественного откоса, град.;

Н – высота насыпанной кучи материала, см;

D – диаметр насыпанной кучи материала, см;

font-size:14.0pt; font-family:" times new roman>– радиус насыпанной кучи материала, см,

1) Краткое изложение теории и цель работы.

2) Схема установки.

3) Таблица 2.

4) Вывод по работе.

Задание на подготовку к лабораторной работе .

1) Измельчение твёрдых материалов и их классификация .

2) Измельчение, грохочение и дозирование твёрдых тел .

Контрольные вопросы .

1) Объясните понятие «угол ссыпания».

2) Виды движения кускового материала по плоскости ссыпания.

3) Назовите факторы, от которых зависит величина угла ссыпания зернисто-кускового материала.

4) Объясните понятие «угол естественного откоса зернисто-кускового материала».

5) Назовите факторы, от которых зависит величина угла естественного откоса.

6) Скажите какая величина больше - угол ссыпания или угол естественного откоса, объясните почему.

7) Как изменяется величина угла ссыпания и угла естественного откоса при движении материала и плоскости, на которой он лежит?

8) Как угол естественного откоса зависит от влажности?

9) тонко или крупно измельчённый материал имеет больший угол естественного откоса?

10) Для чего необходимо знание углов естественного откоса и ссыпания?