Определение физических характеристик и разновидности грунта в основании

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ВАРИАНТЫ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

В каждом варианте задано трехслойное основание. Мощность третьего слоя следует считать неограниченной. В табл.1 указаны варианты отметок слоев инженерно-геологических элементов (ИГЭ) грунтового основания по осям двух скважин пробуренных до 8 м и уровень грунтовых вод (УГВ). Расстояние между скважинами L = 10 м. Оси скважин являются осями прямоугольного фундамента. За нулевую отметку условно принята отметка дневной поверхности грунта.

Таблица 1

Отметки слоев ИГЭ и УГВ

№ варианта	Скважина №1	Скважина №2	УПВ
	Подошва ИГЭ-1, м	Подошва ИГЭ-2, м	Подошва ИГЭ-1, м	Подошва ИГЭ-2, м
3	-2,2	-6,6	-2,0	-6,2	-2,8

Таблица 2

Размеры и нагрузка на фундаменты

№ варианта	Размеры фундаментов, м	Вертикальная нагрузка на уровне подошвы фундаментов N, кН
	Длина l	Ширина b	Глубина заложения d
2	3,0	2,8	2,0	1000

Таблица 3

Варианты физико-механических характеристик грунтов скважины №1

№ варианта	№ ИГЭ	Разновидности грунтов	Плотность с, т/м3	Плотность частиц грунта s, т/м3	Влажность, %	Модуль дефор-мации E, МПа	Угол внутреннего трения I, град	Удельное сцепление сI, кПа	Коэффициент фильтрации, м/сут
					Природная W	на границе ра-скатывания WP	на границе текучести WL
1	1 2 3	Супесь Суглинок Глина	1,98 2,00 1,98	2,66 2,68 2,73	19 23 31	17 17 24	21 30 45	11,0 7,0 15,0	18 19 16	9 18 43	0,5 0,02 0,003

Таблица 4

Варианты физико-механических характеристик грунтов скважины №2

№ варианта	№ ИГЭ	Разновидности грунтов	Плотность с, т/м3	Плотность частиц грунта s, т/м3	Влажность, %	Модуль дефор-мации E, МПа	Угол внутреннего трения I, град	Удельное сцепление сI, кПа	Коэффициент фильтрации, м/сут
					Природная, W	на границе ра-скатывания WP	на границе текучести, WL
1	4 5 6	Супесь Суглинок Песок мел	1,98 2,00 1,95	2,66 2,68 2,65	19 23 31	17 17 -	21 30 -	7 11,0 7,0	18 19 33	9 18 -	0,5 0,02 3

Варианты размеров фундаментов и нагрузок на них приведены в табл. 2. Физические и механические характеристики ИГЭ основания приведены в табл. 3,4. На основании табл. 1,3 и 4 построим инженерно-геологический разрез в масштабе 1:100.



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗНОВИДНОСТИ ГРУНТА В ОСНОВАНИИ

По исходным данным для грунта каждого слоя основания вычисляются:

- удельный вес грунта, кН/м3:

, (1)

где g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/с2);

Скважина №1 Скважина №2

1 =1.98·9.81=19.42 кН/м3 1.4 =1.98·9.81=19.42 кН/м3

2=2.00·9.81=19.62 кН/м3 2.5=2.00 9.81=19.62кН/м3

3=1.98·9.81=19.42 кН/м3 3.6=1.959.81=19.13 кН/м3

- удельный вес частиц грунта, кН/м3,

, (2)

Скважина №1 Скважина №2

1.s1 =2.66·9.81=26.09 кН/м3 1.s4 =2.66·9.81=26.09 кН/м3

2.s2=2.68 ·9.81=26.29 кН/м3 2.s5=2.68 ·9.81=26.29 кН/м3

3.s3=2.73·9.81=26.78 кН/м3 3.s6=2.65 ·9.81=26.00 кН/м3

- коэффициент пористости

(3)

Скважина №1 Скважина №2

1.?1 = =0.60 1.?4 ==0.60

2.?2= =0.65 2.?5==0.65

3.?3= =0.81 3.?6==0.78

- удельный вес грунта во взвешенном состоянии, кН/м3,

, (4)

где - плотность воды (=1,0 т/м3).

Скважина №1 Скважина №2

1.в1 ==10.18 кН/м3 1.в4 ==10.18 кН/м3

2.в2==9.99 кН/м3 2.в5==9.99 кН/м3

3.в3==9.38кН/м3 3.в6==9.09 кН/м3

Для глинистого грунта (супеси, суглинка и глины) каждого ИГЭ определяют:

- число пластичности

; (5)



Скважина №1 Скважина №2

1.Jp1 =21-17=4 1.Jp4 =21-17=4

2.Jp2 =30-17=13 2.Jp5=30-17=13

3.Jp3=45-24=21 3.Jp6=-

- показатель текучести

. (6)

Скважина №1 Скважина №2

1.JL1 = =0.5 1.JL4 = =0.5

2.JL2 = =0.46 2.JL5= =0.46

3.JL3= 3.JL6=-

На основании ГОСТ 25100 [3] по значениям и уточняют разновидность глинистого грунта (табл. П.2.1, П.2.2). Для глин и суглинков в твердом и полутвердом состоянии удельный вес грунта во взвешенном состоянии в не определяют, т.к. эти грунты считаются водонепроницаемыми.



Таблица 5

Физические характеристики грунтов основания

№ ИГЭ	Удельный вес грунта , кН/м3	Удельный вес частиц грунта s, кН/м3	Коэффициент пористости е	Удельный вес грунта во взвешенном состоянии в, кН/м3	Число пластичности Jp	Показатель текучести JL	Разновидность грунта
Скважина №1
1	19.42	26.09	0.60	10.18	4	0.5	Супесь пластичная
2	19.62	26.29	0.65	9.99	13	0.46	Суглинок тугопластичный
3	19.42	26.78	0.81	9.38	21	0.33	Глина тугопластичная
Скважина №2
1	19.42	26.09	0.60	10.18	4	0.5	Супесь пластичная
2	19.62	26.29	0.65	9.99	13	0.46	Суглинок тугопластичный
3	19.13	26.00	0.78	9.09	-	-	Песок мелкий (Рыхлый)



3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ

Целью расчёта оснований по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости основания, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

По мере загружения фундамента наблюдаются две критические нагрузки: нагрузка соответствующая началу возникновения в грунте зон сдвига и окончания фазы уплотнения, и нагрузка, при которой под нагруженным фундаментом сформировываются сплошные области предельного равновесия, происходит потеря устойчивости грунтов основания и исчерпывается его несущая способность.

Начальная критическая нагрузка ркр соответствует случаю, когда в основании под подошвой фундамента возникает предельное состояние. Эта нагрузка ещё безопасна в основаниях сооружений, так как до её достижения грунт всегда находится в фазе уплотнения.

При нагрузках, меньших начальной критической, во всех точках основания напряжённые состояния допредельные и деформируемость грунта подчиняется закону Гука. Поэтому, для определения начальной критической нагрузки используются решения теории упругости.

Определение ркр дано в решении В.В. Пузыревского, в котором грунт рассматривается как однородное, изотропное тело.

, (7)

где - усреднённый удельный вес грунта в пределах глубины заложения фундамента; - глубина заложения фундамента; - угол внутреннего трения грунта под подошвой фундамента; - удельное сцепление грунта под подошвой фундамента.

Давление, равное ркр или меньше его, рассматривается как абсолютно безопасное давление на основание.

Скважина №1:

= 153.52 кПа.

Скважина №2:

=210.59 кПа.

Строительные правила СП 22.133300 [4] допускают развитие пластических деформаций в краевых участках фундаментов на глубину 0,25 ширины фундамента . Такая нагрузка соответствует расчётному сопротивлению грунта, которое определяется по формуле

. (8)

Таблица П 3.1

Численные значения коэффициентов , и

Угол внутреннего трения I, град.	Коэффициенты
	M	Mq	Мс
18	0.43	2.73	5.31
19	0.47	2.89	5.48

= 177.20 кПа.

236.44 кПа.

При увеличении нагрузки на основание сверх ркр в грунтах основания формируются области предельного состояния, грунты теряют свою несущую способность и развивается незатухающая провальная осадка, сопровождаемая выпором грунта в стороны и на поверхность в случае неглубокого заложения фундамента. Такое состояние недопустимо для любого сооружения. Предельную нагрузку рассчитывают по формуле

, (9)

где , и - коэффициенты несущей способности грунта основания, зависящие от угла внутреннего трения, приведены в прил. 3; , , и - параметры те же, что и в формуле (7).

Таблица П 3.2

Значения коэффициентов несущей способности грунта , и

Коэффициенты	Угол внутреннего трения грунтаI, град
	18	19
	4.6	5.3
	5.3	5.9
	13.2	14.15

= 449.72 кПа.

Итогом расчёта 3-го раздела является определение среднего давления под подошвой фундамента р, которое не должно превышать расчётного сопротивления грунта основания R (р<R). Величину среднего давления под подошвой фундамента р определяют по формуле:

, (10)

где N - вертикальная нагрузка на уровне подошвы фундамента, кН (табл. 2); А=l•b - площадь подошвы фундамента. В случае если р>R, необходимо увеличить площадь фундамента, либо уменьшить вертикальную нагрузку на уровне подошвы фундамента N, либо увеличить глубину заложения фундамента d, или заменить основание под фундаментом.

=119.05 кН/м2.

=119.05 кН/м2 < =177.20 кПа.



4.ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЕЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВАНИЯ

фундамент нагрузка грунт осадка

Осадка (деформация) рассчитывается методом послойного суммирования согласно СП 22.13330 [4], который позволяет учесть неоднородность основания, выражающуюся в изменении модуля деформации грунта по глубине основания.

Для определения деформации необходимо изобразить схему. С левой стороны данной схемы необходимо указать грунтовые условие в виде грунтовой колонки с указанием отметок подошв слоёв, согласно варианту задания, в которой необходимо с помощью условных обозначений показать вид грунта и его консистенцию. По центру необходимо изобразить фундамент. По оси фундамента необходимо изобразить эпюры: слева природного напряжения пр, справа - от веса сооружения (дополнительное)z

На осадку основания влияет толща грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, определённой мощности hсж - мощности сжатия, которая подлежит определению.

Нижняя граница сжимаемой толщи (НГСТ) находится на глубине hсж, где дополнительные напряжения от сооружения z составляют 50% от природного напряжения в основании пр. Если найденная, по указанным выше условиям, нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е ? 7 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже глубины hсж, то этот слой включают в сжимаемую толщу, а за hсж принимают глубину, где выполняется условие уz = 0,2 упр.

Сжимаемую толщу делят на элементы, толщина которых hi не должна превышать 0,4b, где b - ширина фундамента

Осадку основания определяют путем суммирования осадок по элементам слоёв:

(11)

где - безразмерный коэффициент, равный 0,8; i - среднее дополнительное вертикальное напряжение в i-ом слое грунта от веса сооружения и действующих нагрузок, кПа; hi и Ei - соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта; n - число слоев, на которое разбита сжимаемая толща основания.

Напряжение от давления, создаваемого сооружением, под центром подошвы фундамента на глубине z от его подошвы вычисляется по формуле

, (12)

где - коэффициент, учитывающий затухание напряжений по глубине основания, принимается по прил. 4; рос - напряжение на уровне подошвы фундамента, определяют по формуле

, (13)

где N - вертикальная нагрузка на уровне подошвы фундамента, кН (табл. 2); А=l•b - площадь подошвы фундамента; - удельный вес грунта, лежащего выше подошвы фундамента, кН/м3; hi - мощности слоёв, лежащих выше подошвы фундамента, м; n - количество слоёв, лежащих выше подошвы фундамента.

Скважина №1:

= 80.21 кПа

Скважина №2:

= 80.21 кПа

Природное напряжение на глубине от дневной поверхности вычисляют по формуле

, (14)

где i и hi - соответственно удельный вес и толщина каждого слоя грунта.

При расчете природного давления грунтов, расположенных ниже уровня подземных вод, необходимо учитывать взвешивающее действие воды. В этом случае вместо используют .

При определении природного давления на кровле слоя водонепроницаемого грунта (глина, суглинок твердые и полутвердые) необходимо учитывать дополнительное гидростатическое давление , определяемое по формуле (рис. 1):

, (15)

где - удельный вес воды, кН/м3 ( кН/м3).

После этого строят эпюры и (рис. 1) и находят НГСТ, т.е горизонт, ниже которого соблюдается условие .



Таблица 6

Расчет осадки фундамента

Скважина №1:

z,м	nz		,кПа
0	0	1	80.21
0.2	0.14	0.990	79.41
0.8	0.57	0.919	73.71
1.8	1.28	0.652	52.30
2.8	2.0	0.336	26.95
3.8	2.71	0.214	17.16
4.6	3.28	0.203	16.28
5.5	3.93	0.150	12.03
6.0	4.28	0.129	10.35

Скважина №1:

z,м	i- кН/м3	hi, м	I ,кПа
2.0	19.42	2.0	38.84
2.2	19.42	0.2	42.72
2.8	19.62	0,6	54.49
6.6	9.99	3.8	92.45
8.0	9.38	1.4	105.58

Скважина №2:

z,м	nz		,кПа
0	0	1	80.21
0.8	0.57	0.919	73.71
1.6	1.14	0.707	56.71
2.6	1.86	0.455	36.49
3.4	2.43	0.320	25.67
4.2	3.0	0.235	18.85
5.1	3.64	0.170	13.63
6.0	4.28	0.130	10.43

Скважина №1:

S=S1+S2=0.0012+0.0196=0.0208м

Скважина №2:

S=S1+S2+S3 =0+0.0152+0.0003=0.0155м

Осадки запроектированного основания должны удовлетворять условию [3]:

, (16)

где S - совместная деформация основания и сооружения, определяемая по формуле (11); Su - предельное значение совместной деформации основания и сооружения (прил. 4, табл. П.4.2).

Относительная разность осадок основания должна быть не более предельной деформации (прил. 4, табл. П.4.2):

, (17)

где - разность осадок основания по оси скважин С-1 и С-2, м; L - расстояние между фундаментами, м.

=0.002м

По результатам расчетов инженерно-геологические условия площадки строительства соответствует области применения типового проекта. Условия Площадки строительства сооружений, относятся к производственным и гражданским одноэтажным зданиям с полным железобетонным каркасом.



5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСАДКИ ОСНОВАНИЯ ВО ВРЕМЕНИ

Конечные осадки фундаментов и их разности не всегда дают полное представление о влиянии деформаций основания на сохранность сооружения в процессе постройки и эксплуатации. Для того чтобы это влияние учесть полностью, нужно знать осадки фундаментов во времени.

Необходимость определения осадок фундаментов во времени может быть пояснена следующим простым примером. Предположим, что два соседних фундамента, впоследствии перекрываемые балкой, имеют одинаковые размеры и возводятся на грунтах, имеющих равные модули деформации. Но в основании первого фундамента залегают песчаные грунты, а в основании второго - глинистые. Конечные осадки и первого и второго фундаментов в таких условиях будут одинаковы, а разность конечных осадок будет равна нулю. Но осадка фундамента на глинистых грунтах будет протекать значительно медленнее, чем осадка фундамента на песчаных грунтах. В какой-то момент времени разность осадок фундаментов будет наибольшей. Если эта разность превысит допустимую величину, то нормальная эксплуатация данного сооружения будет нарушена, хотя разность конечных осадок и равна нулю.

Неодинаковая скорость осадок фундаментов может быть обусловлена не только неоднородностью грунтовых условий, но также различием размеров и формы фундаментов.

Если в пределах сжимаемой толщи залегают несколько слоёв грунта, исключая песчаные грунты, с различной сжимаемостью и водопроницаемостью, то кривая осадки фундамента во времени может быть приближённо найдена, по предложению Н.А. Цытовича, исходя из осреднённых значений модуля деформации и коэффициента фильтрации в пределах сжатия грунтов. Среднее значение модуля сжатия можно получить, приравнивая осадку многослойной толщи со средним модулем деформации:

.

где - площадь криволинейной эпюры уплотняющих давлений от инженерного сооружения в пределах сжимаемой толщи (за исключением сжимаемой толщи песка); - конечная осадка основания, за исключением осадки песчаных слоёв.

Средний коэффициент фильтрации в пределах определяется по формуле:

,

где и - толщина и коэффициент фильтрации отдельного ИГЭ глинистого грунта в пределах сжимаемой толщи (за исключением песчаных слоёв).

Вычисляем коэффициент консолидации :

Дальнейший расчёт ведётся, как для однородного слоя грунта.

Осадка основания в данный момент времени от начала приложения нагрузки определяется выражением

где - полая (конечная) осадка фундамента, полученная в 4 разделе, за исключением осадки песчаных слоёв; - коэффициент степени (времени) консолидации, который изменяется от 0 до 1.

коэффициент степени (времени) консолидации является функцией показателя фактора времени консолидации грунта , который определяется по формуле

где и - показатели фактора времени консолидации грунта, соответствующие прямоугольной и треугольной эпюрам уплотняющих давлений ; - интерполяционный коэффициент, значения которого зависят от отношения крайних ординат трапецеидальной эпюры



Таблица 7

Показатели фактора времени

консолидации грунта и

0,10	0,02	0,005
0,20	0,08	0,020
0,30	0,17	0,06
0,40	0,31	0,13
0,50	0,49	0,24
0,60	0,71	0,42
0,70	1,00	0,69
0,80	1,40	1,08
0,90	2,09	1,77
0,95	2,80	2,54

Таблица 8

Интерполяционный коэффициент

1,0	1	5,0	0,39
1,5	0,83	6,0	0,34
2,0	0,71	7,0	0,30
2,5	0,62	8,0	0,27
3,0	0,55	9,0	0,25
3,5	0,50	10,	0,23
4,0	0,45	12,0	0,20
4,5	0,42	15,0	0,17
		20,0	0,13



Скважина №1:

U	I	N1	N2	N
0.10	0.409	0.02	0.005	0.0111
0.20		0.08	0.020	0.0445
0.30		0.17	0.06	0.1050
0.40		0.31	0.13	0.2036
0.50		0.49	0.24	0.3422
0.60		0.71	0.42	0.5386
0.70		1.00	0.69	0.8168
0.80		1.40	1.08	1.2109
0.90		2.09	1.77	1.9009
0.95		2.80	2.54	2.6463

Скважина №2:

U	I	N1	N2	N
0.10	0.422	0.02	0.005	0.0113
0.20		0.08	0.020	0.0453
0.30		0.17	0.06	0.1064
0.40		0.31	0.13	0.2060
0.50		0.49	0.24	0.3455
0.60		0.71	0.42	0.5424
0.70		1.00	0.69	0.8208
0.80		1.40	1.08	1.2150
0.90		2.09	1.77	1.9050
0.95		2.80	2.54	2.6497

Осадка несвязных грунтов, входящих в , произойдёт сразу же после приложения нагрузки, поэтому время разной степени консолидации определяем для глинистых слоёв, входящих в мощность сжимаемой толщи, по формуле:

.

где - путь фильтрации воды из сжимаемой толщи грунта . В случае если под лежит водопроницаемый слой (например, песок), то . Если под лежит водонепроницаемый слой (например, суглинки и глины полутвёрдые и твёрдые), то .

hФ1=3.884м

hФ2=4.351\2=2.175 м

Таблица 9

Определение осадки во времени

Скважина №1:

0	-	0	0.00
0.10	0.0111	0.004	0.21
0.20	0.0445	0.016	0.42
0.30	0.1050	0.038	0.62
0.40	0.2036	0.074	0.83
0.50	0.3422	0.125	1.04
0.60	0.5386	0.198	1.25
0.70	0.8168	0.300	1.46
0.80	1.2109	0.444	1.66
0.90	1.9009	0.697	1.87
0.95	2.6463	0.971	1.98

Скважина №2:

0	-	0	0.00
0.10	0.0113	0.001	0.16
0.20	0.0453	0.003	0.32
0.30	0.1064	0.007	0.47
0.40	0.2060	0.013	0.63
0.50	0.3455	0.022	0.78
0.60	0.5424	0.034	0.93
0.70	0.8208	0.052	1.08
0.80	1.2150	0.077	1.24
0.90	1.9050	0.120	1.39
0.95	2.6497	0.167	1.47

По результатам расчёта осадки фундаментов во времени строим графики консолидации

?Smax=2.4 см=0.024



6.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Барац Н.И. Механика грунтов: учебное пособие. Омск. Изд-во СибАДИ, 2008, - 104 с.

Тюменцева О.В. Геологическое картирование: Учебное пособие. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. - 76 с.

ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация.

СП 22.13330-2011. Основания зданий и сооружений.

ГОСТ 21.302-96. Условные графические обозначения в документации по инженерно-геологическим изысканиям.

Размещено на Allbest.ru

...