Угол естественного откоса бетонной смеси. Угол естественного откоса песка

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.

В сухом песке сцепления почти нет и состояние предельного равновесия характеризуется соотношением T = N tg ф. Подставляя значения N и T, получим P sin а = P cos a tg ф или tg a = tg ф и а = ф, т. е. угол а соответствует углу внутреннего трения грунта ф в состоянии предельного равновесия массива несвязного грунта.
Определение угла естественного откоса песка показано на рис. 23. Угол естественного откоса песка определяют дважды - для состояния естественной влажности и под водой. Для этого в стеклянный прямоугольный сосуд насыпают песчаный грунт, как показано на рис. 23, а. Затем сосуд наклоняют под углом не менее 45° и осторожно возвращают в прежнее положение (рис. 23, б). Далее определяется угол а между образовавшимся откосом песчаного грунта и горизонталью; о величине угла а можно судить по отношению hl, равному tg а.

В последние годы для определения характеристик сопротивления грунтов сдвигу предложен ряд новых методов: по данным испытания грунтов в стабилометрах (см. рис. 11), по вдавливанию шарикового штампа в грунт (рис. 24), аналогично определению твердости по Бринеллю и др.
Испытание грунта методом шариковой пробы (рис. 24) заключается в измерении осадки шарика S при действии на него постоянной нагрузки р.
Значение эквивалентного сцепления грунта определяется по следующей формуле:

где P - полная нагрузка на
D - диаметр шарика, см;
S - осадка шарика, см.

Величина сцепления сш учитывает не только силы сцепления грунта, но и внутреннее трение.
Для определения удельного сцепления с значение сш умножается на коэффициент К, который зависит от угла внутреннего трения ф (град).

В последние годы метод шариковой пробы стали применять в полевых условиях. В этом случае применяются полусферические штампы размером до 1 м (рис. 25).
Характеристики сдвига ф и с называются прочностными и точность их определения имеет большое значение при расчете оснований сооружений по прочности и устойчивости.

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

Порода	Угол естественного откоса, град, для породы
сухой	влажной	мокрой
Песок крупный	30 – 35	32 – 40	25 – 27
Песок средний	28 – 30
Песок мелкий		30 – 35	15 – 20
Гравий	35 – 40

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

Наименование исследуемого материала	Угол естественного откоса	Угол ссыпания
сухой материал	влажный материал	Сухой материал	Влажный материал
		tg α				tg α

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?

Угол естественного откоса или угол покоя – это угол между плоскостью основания штабеля и образующей, который зависит от рода и кондиционного состояния груза.Угол естественного откоса – максимальный угол наклона откоса гранулированного материала, не обладающего сцеплением, т. е. свободно текучего материала. Рыхлые и пористые навалочные грузы имеют больший угол покоя, чем твердые кусковые грузы. С увеличением влажности угол покоя растет.При длительном хранении многих навалочных грузов угол покоя за счет уплотнения и слеживаемости возрастает. Различают угол естественного откоса в покое и в движении. В покое угол естественного откоса на 10 – 18° больше, чем в движении (например, на ленте транспортера).

Величина угла естественного откоса груза зависит от формы, размера, шероховатости и однородности грузовых

частиц, влажности массы груза, способа его отсыпки, исходного состояния и материала опорной поверхности.

Применяются различные методы определения величины угла естественного откоса; к числу наиболее распространенных относятся способы насыпки и обрушения.

Экспериментальное определение сопротивления сдвигу и основных параметров груза производится обычно методами прямого среза, одноосного и трехосного сжатия. Испытания свойств груза методами прямого среза применимы как к идеальным, так и к связным сыпучим телам. Метод испытания на одноосное (простое) сжатие – раздавливание применим только для оценки общего сопротивления сдвигу связных сыпучих тел при условном допущении, что во всех точках испытываемого образца сохраняется однородное напряженное состояние. Наиболее надежные результаты испытаний характеристик связного сыпучего тела дает метод трехосного сжатия, позволяющий исследовать прочность образца груза при всестороннем сжатии.

Определение угла естественного откоса мелкозернистых веществ (размеры частиц менее 10 мм) производится с помощью «наклонного ящика». Угол естественного откоса в этом случае – угол, образованный горизонтальной плоскостью и верхней кромкой испытательного ящика в тот момент, когда только начнется массовое осыпание вещества в ящике

Судовой метод определения угла естественного откоса вещества используют при отсутствии «наклоняемого ящи-

ка». В этом случае угол естественного откоса – это угол между образующей конуса груза и горизонтальной

плоскостью.

Угол естественного откоса. Способы определения в натурных условиях

Угол естественного откоса или угол покоя – э то угол между плоскостью основания штабеля и образующей, который зависит от рода и кондиционного состояния груза. Угол естественного откоса – максимальный угол наклона откоса гранулированного материала, не обладающего сцеплением, т. е. свободно текучего материала.

На практике данными о величине угла естественного откоса пользуются при определении площади штабелирования груза, количества груза в штабеле, объема внутритрюмных штивочных работ, при подсчете величин давления груза на ограждающие его стенки

Применяются различные методы определения величины угла естественного откоса; к числу наиболее распространенных относятся способы насыпки и обрушения .

Экспериментальное определение сопротивления сдвигу и основных параметров груза производится обычно методами прямого среза , одноосного и трехосного сжатия .

Определение угла естественного откоса мелкозернистых веществ (размеры частиц менее 10 мм) производится с помощью «наклонного ящика ». Угол естественного откоса в этом случае – угол, образованный горизонтальной плоскостью и верхней кромкой испытательного ящика в тот момент, когда только начнется массовое осыпание вещества в ящике.

Судовой метод определения угла естественного откоса вещества используют при отсутствии «наклоняемого ящика». В этом случае угол естественного откоса – это угол между образующей конуса груза и горизонтальной плоскостью.

Практика производства замеров углов естественного откоса в натурных условиях показывает, что их величина несколько изменяется в зависимости от метода отсыпки груза (струей или дождем), массы исследуемого груза, высоты , с которой производится экспериментальная отсыпка.

Для быстрых измерений удобен способ Мооса , при котором зерно насыпают в прямоугольный ящик со стеклянными стенками размерами 100х200х300 мм на 1/3 его высоты. Ящик осторожно поворачивают на 90° и измеряют, угол между поверхностью зерна и горизонтальной (после поворота) стенкой.

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.

Грунты	Крутизна откосов при глубине выемки, м (отношение высоты к заложению)
	1,5	3,0	5,0
Насыпные неуплотненные	56(1:0,67)	45(1:1)	38(1:1,25)
Песчаные и гравийные влажные	63(1:0,5)	45(1:1)	45(1:1)
Глинистые:
супесь	76(1:0,25)	56(1:0,67)	50(1:0,85)
суглинок	90(1:0)	63(1:0,5)	53 (1:0,75)
глина	90(1:0)	76(1:0,25)	63(1:0,5)
Лессы и лессовидные сухие	90(1:0)	63(1:0,5)	63(1:0,6)
Моренные:
песчаные, супесчаные	76(1:0,25)	60(1:0,57)	53 (1:0,75)
суглинистые	78(1:0,2)	63(1:0,5)	57(1:0,65)

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

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 .