Практическая деятельность Мелкий — Глубокие основы

Практическая деятельность: мелкая Глубокие основы

Предоставлено: Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо, Боулдер

Беглый взгляд

Несмотря на то, что за использование учебных материалов TeachEngineering в вашем классе не взимается плата или плата, для занятий и занятий часто требуются материалы.

расходная стоимость это приблизительная стоимость материалов, необходимых для каждой группы студентов, участвующих в задании.

Любое оборудование многократного использования, необходимое для обучения деятельности, не включено в эту оценку; подробности смотрите в Списке материалов / Поставках.

Учебный план в этом разделе

Большинство учебных материалов в TeachEngineering организовано иерархически; то есть, большинство практических деятельность являются частью занятия, занятия сгруппированы в многодневные учебные единицы и они снова связаны в предметные области.

Однако некоторые виды деятельности или уроки были разработаны для самостоятельной работы, и, следовательно, они могут не соответствовать этой строгой иерархии.

Связанная учебная программа показывает, как документ, который вы сейчас просматриваете, вписывается в эту иерархию учебных материалов.

Педагоги делятся опытом

Подписывайтесь на нашу новостную рассылку

Ключевые слова

Рисунок 1. Пизанская башня в Италии, широко признанный провал фундамента.

Резюме

Инженерное соединение

В мире искусственных сооружений (дома, школы, магазины, небоскребы, мосты, шоссе, парковочные гаражи и террасы на заднем дворе) фонды являются критически важными компонентами обеспечения стабильности. Геологические исследования предоставляют важную информацию гражданским и строительным инженерам, которые проектируют эти структуры, особенно широкие мосты и высокие здания. Инженеры должны знать специфические для грунта характеристики грунта и основания, иногда на больших глубинах, чтобы они могли определить наиболее подходящие строительные материалы и тип фундамента, необходимые для распределения нагрузки, и спроектировать безопасную конструкцию или мост.

Pre-Req Knowledge

Студенты должны иметь некоторые предварительные знания о мостах, в том числе знакомство с типами мостов и нагрузками, как это было описано в первых двух уроках раздела «Мосты».

Цели обучения

После этого занятия студенты должны иметь возможность:

  • Создайте модель, исследуйте и объясните свойства мелких и глубоких оснований.
  • Опишите технические условия, такие как давление подшипников и расчет.
  • Используйте простые уравнения для анализа сил, влияющих на модель фундамента.

Больше учебного плана, как это

Студенты изучают влияние региональной геологии на фундамент моста, в том числе разнообразие почвенных условий, найденных под фундаментами. Они узнают о мелких и глубоких основаниях, а также о понятиях давления и осадки подшипников.

Студентам предоставляется краткая история мостов, когда они узнают о трех основных типах мостов: балке, арке и подвесе. Они вводятся в две естественные силы. растяжение и сжатие. общие для всех мостов и конструкций.

Студенты узнают о типах возможных нагрузок, о том, как рассчитать предельные комбинации нагрузок, и исследуют различные размеры для балок (балок) и колонн (опор) простой конструкции моста. Кроме того, они изучают шаги, которые инженеры используют для проектирования мостов.

Студенты узнают о разнообразии материалов, используемых инженерами при проектировании и строительстве современных мостов. Они также узнают о свойствах материалов, важных для строительства мостов, и рассмотрят преимущества и недостатки стали и бетона как обычных материалов для строительства мостов.

Образовательные стандарты

каждый TeachEngineering урок или деятельность соотносятся с одним или несколькими стандартами K-12 в области науки, техники, техники или математики (STEM).

Все 100 000 стандартов K-12 STEM покрыты TeachEngineering собраны, поддерживаются и упаковываются Сеть стандартов достижений (ASN), проект D2L (Www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например, государством; внутри источника по типу; например, наука или математика; в пределах типа по подтипу, затем по классу, так далее.

Общие основные государственные стандарты. математика
  • Пишите, читайте и оценивайте выражения, в которых буквы обозначают цифры. (6 класс) Details.View более согласованной учебной программы. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!
  • Свободно складывайте, вычитайте, умножайте и делите многозначные десятичные дроби, используя стандартный алгоритм для каждой операции. (6 класс) Details.View более согласованной учебной программы. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!
  • Решите реальные и математические задачи, связанные с площадью, объемом и площадью поверхности двух- и трехмерных объектов, состоящих из треугольников, четырехугольников, многоугольников, кубов и правых призм. (7 класс) Details.View более выровненный учебный план. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!
Международная ассоциация инженеров-технологов. технология
  • Конструкции опираются на фундамент. (6. 8 классы) Подробности. Просмотреть более выровненный учебный план. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!
  • Выбор конструкций для конструкций основан на таких факторах, как строительные законы и правила, стиль, удобство, стоимость, климат и функциональность. (6. 8 классы) Подробности. Просмотреть более выровненный учебный план. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!
Государственные стандарты
Американская Ассоциация Развития Науки. Наука
  • Новые идеи в науке ограничены контекстом, в котором они задуманы; часто отклоняются научным учреждением; иногда возникают неожиданные результаты; и обычно растут медленно, благодаря вкладу многих исследователей. (9. 12 классы) Подробности. Просмотреть более выровненный учебный план. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!
Колорадо. Математика
  • Решите реальные и математические задачи, включающие четыре операции с рациональными числами. (7 класс) Details.View более выровненный учебный план. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!
Колорадо. Наука
  • Предсказать и оценить движение объекта, изучив приложенные к нему силы (класс 8). Подробно. Просмотреть более согласованную учебную программу. Вы согласны с этим раскладом? Да Нет Спасибо за ваш отзыв!

Список материалов

Каждой группе необходимо:

12 дюймов х 12 дюймов х 12 дюймов (30 см х 30 см х 30 см)

  • Мелкая галька или камни (достаточно, чтобы создать слой толщиной 1 дюйм [2,5 см]; около 10 чашек)
  • Почва в горшке или верхняя почвенная грязь (достаточно, чтобы создать слой 4 на глубине [10 см]; около 2 галлонов)
  • Песок (достаточно, чтобы создать слой толщиной 2,5 дюйма [6,35 см; около 1,25 галлона)
  • Блок дерева,

    2 в x 2 в x 1 в глубину (5 см х 5 см х 2,5 см), вырезанные из 2 х 4 древесных отходов

  • Деревянный дюбель ½ дюйма (1,27 см), длиной не менее 12,5 дюймов (32 см)
  • Клей для дерева, чтобы закрепить дюбель в отверстии, просверленном в деревянном блоке
  • Рабочий лист фонда, один на команду
  • Несколько книг для баланса на фундаменте, на общую сумму

    Для учителя использовать (или весь класс, чтобы поделиться):

    • Доступ к деревообрабатывающему инструменту: дрель, сверла и пила
    • Весы, чтобы взвешивать книги

    Введение / Мотивация

    Что может произойти, если вы построите фундамент из песка или песчаной дюны? На скале? На болоте? Будет ли это работать? Что, если ваш запланированный мост был действительно на шаткой земле. в подверженной землетрясению области? Как ты мог заставить это работать? Будете ли вы строить фундамент моста или сооружения иначе, в зависимости от состава почвы в этом месте? Ну, инженеры призваны проектировать мосты и конструкции для всех видов мест, и они не всегда имеют идеальный профиль почвы. Таким образом, они выясняют, какой тип фундамента должен быть построен для работы с существующими условиями почвы, чтобы создать надежную конструкцию, которая не будет опрокидываться или ломаться.

    Что вы знаете о Пизанской башне в Италии? Эта восьмиэтажная колокольня является примером широко признанного провала фундамента (см. Рисунок 1). Строительство началось в 1173 году, и к тому времени, когда был построен третий этаж, он начал наклоняться из-за неадекватного фундамента и рыхлой почвы. Это очень тяжелая конструкция, строительство которой заняло более 150 лет. Стены у основания имеют толщину 8 футов (2,4 м). Его первоначальный фундамент был расположен на глубине всего 3 метра на ложе из сухих камней. Башня пережила 800 лет сдвига фундамента, наклонных стен и много усилий, чтобы выправить и стабилизировать его.

    Хотя Пизанская башня является ярким примером, она указывает на то, что, хотя мы редко видим или замечаем фундаменты, они могут быть наиболее важным компонентом проектирования, обеспечивающим долговременную устойчивость мостов, зданий и сооружений, от которых мы зависим каждый день. , В то время как вы можете отремонтировать или укрепить наземную часть конструкции, плохое основание сложнее исправить. Неглубокие и глубокие основания. это два отдельных типа фундаментов, в основном различающихся по тому, как далеко каждый из них простирается в землю. Однако есть и другие отличия.

    Рисунок 2. Фундамент жилого дома из залитого бетона, обработанный черным влагозащитным продуктом.

    Как вы можете догадаться, мелкие фундаменты не уходят очень глубоко в землю. Что еще более важно они распространяют структурные нагрузки на почвы близко к поверхности. Неглубокие фундаменты могут включать фундаментные фундаменты и коврики, которые обычно используются для жилых зданий (см. Рисунок 2) или любых конструкций с небольшими нагрузками. Распределительные опоры. это просто расширения в нижней части колонн или стен, которые распределяют приложенные структурные нагрузки по достаточно большой площади почвы. Распределительные опоры являются наиболее распространенным типом фундамента из-за их низкой стоимости и простоты строительства. Основание мата. это, по существу, очень большая разбросанная основа, которая обычно покрывает всю площадь основания конструкции, например фундамента.

    Если неглубокий фундамент находится близко к поверхности, как вы думаете, что такое глубокий фундамент? Вас не удивит, что глубокие основания простираются в глубину почвы больше, чем мелкие основания. Но что еще более важно, они распределяют свои структурные нагрузки на почвы, которые не вблизи поверхности. Типы глубоких фундаментов включают кессоны, просверленные стволы и сваи. Кессоны. это ящики или цилиндры, которые погружаются в землю на желаемую глубину. Просверленные валы строятся путем просверливания тонкого цилиндрического отверстия в земле, вставки арматурной стали и заполнения ее бетоном. Сваи, которые чаще всего используются для мостов, строятся путем заблаговременного изготовления тонких колонн и вбивания их в землю.

    При проектировании любого фундамента инженеры также должны учитывать еще два важных фактора. Конструкция фундамента должна соответствовать пределам давления подшипника для грунта (или силе, действующей на грунт со дна фундамента), и должна соответствовать допустимым расчетным требованиям для конструкции.

    Кто-нибудь видел повреждения мостов, зданий или даже ступенек и тротуаров из-за поселения? (Слушайте рассказы студентов.) Что такое поселение? Поселение. это вертикальное движение фундамента вниз, что, в свою очередь, заставляет конструкцию также двигаться вниз. Один тип поселения, называемый обычным «поселением». это когда весь фундамент или конструкция перемещается вертикально вниз на одинаковое расстояние во всех точках. Другой тип расчета, называемый дифференциальным расчетом. это когда части фундамента или конструкции движутся вертикально вниз дальше, чем другие точки. Поселение неровное; таким образом, дифференциальное урегулирование создает уклон (наклон) в фундаменте или структуре. Хотя расчеты реальных расчетов, которые инженеры выполняют в рамках разработки подходящего фундамента для конкретного участка, могут быть сложными, самое важное, что нужно знать. это то, что урегулирование может происходить и действительно происходит и часто наносит огромный ущерб структуре. Как вы думаете, было ли какое-либо урегулирование с Пизанской башней?

    Читайте так же

    Как укрепить кирпичную основу... Как укрепить кирпичную основу Кирпич был общим вариантом фундамента на рубеже 20-го века. Это больше не Одна из основных причин этого заключается в том, что кирпич изнашивается быстрее, чем бетон. Большинство старых кирпичных фундаментов сейчас, вероятно, нуждаются в ремонте и укреплении. В то время как есть много способов сделать это, создание ...

    Рисунок 3. Несущее давление на неглубокое основание.

    Подшипниковое давление. это сила контакта на единицу площади вдоль основания фундамента (нарисуйте рисунок 3 на доске, чтобы все могли видеть). Инженеры используют простое уравнение для расчета давления подшипника, которое фундамент оказывает на грунт под ним. (Нарисуйте на доске: давление подшипника = q = сила (P) ÷ площадь (A).) Для наших сегодняшних целей (для простоты) мы будем игнорировать вес фундамента и влияние уровня грунтовых вод. В этом уравнении давление подшипника определяется как q. Сила (P). это нагрузка, действующая на фундамент из-за несущей конструкции. Площадь. это дно фундамента, соприкасающееся с почвой. Значение давления в подшипнике не должно превышать допустимую несущую способность почвы (которая определяется путем испытаний), иначе произойдет сбой. Каковы допустимые несущие способности? Ну, это зависит от почвы и от того, делаете ли вы неглубокую или глубокую основу.

    Перенос нагрузок из глубоких фундаментов в почву отличается от переноса неглубоких фундаментов. Неглубокие фундаменты в первую очередь переносят нагрузку на почву под давлением подшипников. Глубокие основания также переносят нагрузку через трение по длине (или глубине) основания, называемое трением обшивки. Усилие, которое остается на дне глубокого основания, передается на почву под давлением подшипника.

    Сегодня мы собираемся разбиться на команды и провести собственные мелкие и глубокие фундаментные испытания, чтобы мы могли почувствовать силы и увидеть, как выглядит «провал» с фундаментами под нагрузкой. Затем мы выполним наши собственные расчеты, чтобы найти несущие давления, которые фундамент оказывает на почву.

    Словарь / Определения

    несущее давление: давление, действующее на почву из-за фундамента и приложенных нагрузок от конструкции.

    коренная порода: твердая порода, которая лежит в основе рыхлых поверхностных отложений почвы, песка, глины и гравия. Рассматривается нижний слой и нижний слой.

    кессон: сборная коробка или цилиндр, который погружается в землю на желаемую глубину как часть глубокого фундамента.

    глубокая основа: основания, которые уходят глубоко в землю. Примеры типов: кессоны, просверленные валы и сваи.

    инженер: Человек, который применяет свое понимание науки и математики для создания вещей на благо человечества и нашего мира.

    сбой: неспособность системы или компонента выполнить требуемую функцию в указанных пределах.

    фундамент: структура, которая соединяет мост или здание с землей для поддержки.

    модель: (существительное) Представление чего-либо, иногда в меньшем масштабе. (глагол) Чтобы сделать или построить что-то, чтобы помочь визуализировать или узнать о чем-то еще.

    Читайте так же

    Как укрепить кирпичную основу... Как укрепить кирпичную основу Кирпич был общим вариантом фундамента на рубеже 20-го века. Это больше не Одна из основных причин этого заключается в том, что кирпич изнашивается быстрее, чем бетон. Большинство старых кирпичных фундаментов сейчас, вероятно, нуждаются в ремонте и укреплении. В то время как есть много способов сделать это, создание ...

    ворса: цилиндрический элемент забиваются вертикально в почву, чтобы сформировать часть глубокого фундамента или подпорной стенки.

    поселение: вертикальное движение основания вниз.

    неглубокий фундамент: фундаменты, которые не уходят глубоко в землю. Типы примеров: основания фундамента (или нижнего колонтитула или основания) и основания коврика.

    профиль почвы: вертикальная последовательность слоев природного материала, обнаруженного под землей на определенном участке, часто от поверхности земли до материнской породы. Диаграмма, которая показывает вертикальный разрез почвы, изображая различные типы и глубины присутствия почвы и породы.

    Процедура

    До деятельности

    • Соберите материалы и сделайте копии рабочего листа фонда и рабочего листа фонда (по желанию), по одному на команду.

    Практическая деятельность Мелкий. Глубокие основы

    Рисунок 4. Профиль почвы для организации деятельности.

    • Подготовьте для каждой команды картонную коробку со слоями почвы (см. Рисунок 4): Внизу внутри коробки поместите слой мелких камешков или камней толщиной около 1/2 дюйма (1,3-2,5 см). Затем поместите около 4 дюймов (10 см) горшечной почвы или грязи поверх гальки. Затем поместите слой песка толщиной 2-3 дюйма (5-8 см) поверх почвы. Закончите с 3-4-дюймовым (8-10-сантиметровым) слоем почвы сверху.

    Рисунок 5. Деревянный инструмент, созданный для представления как мелкого (конец блока), так и глубокого (конец с длинным штифтом) основания для тестирования фундаментов модели.

    • Создайте модель деревянного фундамента для каждой команды: Распилите 2 x 4 лома доски на 2 в x 2 в x 1 в глубокие деревянные блоки (5 см x 5 см x 2,5 см). Просверлите глубокое отверстие ½ дюйма (1,27 см) на одной из сторон размером 2 дюйма (5 см) диаметром, равным диаметру дюбеля. Вставьте дюбель в отверстие; используйте клей для дерева, чтобы закрепить его. Обрежьте штифт на длину 12 дюймов (30 см), измеренную от деревянного блока (см. Рисунок 5). Конец блока служит моделью для мелкого фундамента, а конец стержня служит моделью глубокого фундамента.
    • Разделите класс на команды по четыре человека в каждой.
    • Создайте модель деревянного фундамента для каждой команды: Распилите 2 x 4 лома доски на 2 в x 2 в x 1 в глубокие деревянные блоки (5 см x 5 см x 2,5 см). Просверлите глубокое отверстие ½ дюйма (1,27 см) на одной из сторон размером 5 дюймов (2 дюйма) диаметром, равным диаметру дюбеля. Вставьте дюбель в отверстие; используйте клей для дерева, чтобы закрепить его. Обрежьте штифт на длину 12 дюймов (30 см), измеренную от деревянного блока (см. Рисунок 5). Конец блока служит моделью для мелкого фундамента, а конец стержня служит моделью глубокого фундамента.
    • Разделите класс на команды по четыре ученика в каждой

    Со студентами

    1. Просмотрите со студентами основные понятия мелкой и глубокой основы. Объясните, что сегодня они будут моделировать неглубокие и глубокие основы.
    2. Объясните установку всему классу. Картонная коробка, заполненная галькой, почвой и песком, представляет собой местоположение площадки (грунт), на которой должен быть построен фундамент для моста.

    Рисунок 6. Тестирование неглубоких оснований.

    1. Поручите студенческим командам провести неглубокий фундаментный тест (см. Рис. 6). Держась за конец дюбеля, поместите деревянный брусок прямо на почву. Потом, куча книг на нем, чтобы создать давление подшипников на почву, как будто это основание держит нагрузку от части тяжелого моста. (Студентам, возможно, придется слегка уравновесить книги своими руками.) Что происходит? (Ученики должны заметить, как почва отталкивается в стороны и слегка поднимается вокруг деревянного блока. Это свидетельствует об отсутствии почвы.) Попросите учеников записать на своих рабочих листах вес книг, которые они могли бы сбалансировать на своем мелком основании, прежде чем он стал слишком шатко
    2. Теперь попросите студентов провести второй неглубокий базовый тест. Используя тот же кусок дерева, поместите его глубже в почву, чтобы верхняя часть блока находилась на одном уровне с верхней частью почвы. Затем сваливают книги на него, чтобы создать давление на почву. Что просходит? Что ты заметил? (Почва снова разрушается из-за высокого давления на подшипник. Однако величина силы, которая должна быть приложена к деревянному блоку, должна быть выше. Опять же, обратите внимание, как почва отталкивается в стороны и немного поднимается вокруг деревянного блока.) Предложите студентам записать на своих рабочих листах вес книг, которые они могли бы сбалансировать на этом мелком основании, пока оно не стало слишком шатким.
    3. Восстановить почву (при необходимости). Поручите студенческим командам провести глубокое испытание фундамента (см. Рис. 7): Держась за конец деревянного блока, направьте дюбель в почву и протолкните его вниз в почву. Что просходит? (Деревянный дюбель проникает в почву и становится все труднее толкаться в почву по мере того, как он углубляется. Если деревянный дюбель толкается достаточно сильно, он достигает слоя породы на дне ящика. Для моста или другой крупной конструкции На эту глубину будут укладываться сваи, чтобы достичь более компактных почв, глины и камней.) Затем сложите книги на конце деревянного блока, чтобы создать давление на почву. Сколько книг мог держать фонд в этот раз? Предложите студентам записать на своих рабочих листах вес книг, которые они могли бы уравновесить на своей глубокой основе, пока она не стала слишком шаткой.

    Рисунок 7. Тестирование глубокого фундамента.

    1. Затем попросите учеников точно рассчитать на своих листах, сколько сил было приложено к фундаменту при разрушении. Попросите их подумать о своих расчетах и ​​предложить, как конструкции фундамента могут быть изменены, чтобы выдержать больший вес (например, увеличение размера дюбеля). Обсудите со студентами, как глубокий фундаментальный тест способен выдержать больший вес.
    2. Завершите обсуждение в классе, сравнивая результаты рабочего листа и вопросы после занятия, представленные в разделе «Оценка». (Необязательно) Назначьте учащимся базовый математический лист.

    Читайте так же

    Как укрепить кирпичную основу... Как укрепить кирпичную основу Кирпич был общим вариантом фундамента на рубеже 20-го века. Это больше не Одна из основных причин этого заключается в том, что кирпич изнашивается быстрее, чем бетон. Большинство старых кирпичных фундаментов сейчас, вероятно, нуждаются в ремонте и укреплении. В то время как есть много способов сделать это, создание ...