Механика грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

фундамент грунт деформация геологический

Механика грунтов, основания и фундаменты вместе с инженерной геологией и охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом его изучения являются материалы, как правило, природного происхождения - грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конструкционные материалы приготавливаются технологами так, чтобы они обладали заданными строительными свойствами, то грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.

Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения.

Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.

Механика грунтов, основания и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологией, изучающей верхнюю часть земной коры как среду инженерной деятельности человека. Для понимания механики грунтов необходимо знать дисциплины механико-математического цикла: сопротивление материалов, теорию упругости, пластичности и ползучести, строительную механику, владеть методами математического анализа. Проектирование оснований и фундаментов требует также знания строительных конструкций, технологии строительного производства. Техники безопасности, экономики и организации строительства. Развитие автоматизированного проектирования фундаментов связано с умением специалистов работать с современными ЭВМ, прежде всего с персональными компьютерами.

Типы и состояние грунтов

Сооружение и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения. Поэтому инженер-строитель должен хорошо понимать, что представляют собой грунты, каковы их особенности по сравнению с другими конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т.п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грунтовых оснований.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения.Грунты разделяются на различные типы, рассмотрим их ниже.

Скальные грунты. Это самое надежное основание под фундамент. Представляют собой плотные горные породы, выходящие прямо на поверхность или покрытые тонким слоем почвы. Это гранит, базальт, диабаз, известняк, доломит, песчаник. Данные грунты не деформируются под нагрузкой, не размокают в воде и не промерзают зимой. На скальном грунте фундамент закладывают без заглубления, прямо на поверхности.Скалистые грунты считаются самыми надежными.

Полускальные грунты. Это те же горные породы, но раздробленные, с большим числом трещин. Они под нагрузкой не сжимаются, в воде не размокают, но во влажном состоянии способны промерзать. Надежное основание под фундамент, но при строительстве дома фундамент лучше заглубить в грунт на 0.5 м независимо от промерзания грунта.

Крупнообломочные грунты. Состоят из несвязанных обломков горных пород (щебня, гравия, галечника), бывают плотными или рыхлыми. Под нагрузкой не сжимаются, но часто размываются проточными водами, во влажном состоянии промерзают. Неплохой грунт для закладки фундамента. Надо лишь заглубить его на 0.5 м, даже если грунт промерзает на большую глубину.

Песчаные грунты. Сыпучие пески водопроницаемы, размываются проточной водой, во влажном состоянии промерзают. Под нагрузкой хорошо уплотняются, надежное основание под фундамент. Глубина заложения фундамента (обычно 0.4-0.7 м) зависит от плотности песчаного грунта - чем меньше плотность, тем глубже располагается фундамент.

Глинистые грунты. Состоят из глины почти без примеси песка. Сжимаются под нагрузкой, размываются проточной водой, при увлажнении часто сильно набухают, но уплотняются мало, при замерзании вспучиваются. Под весом дома уплотняются неравномерно, поэтому при осадке дом может покоситься, осадка длится долго - до нескольких лет. В таких грунтах фундамент закладывают на глубину промерзания.

Суглинки. Такой грунт состоит из глины со значительной (до 90%) примесью песка. Наиболее распространенный тип грунтов. По свойствам близки к глинистым грунтам. Разновидность суглинков - лессы, сильно оседают при замачивании. Во всех суглинистых грунтах фундаменты закладывают на глубину промерзания.Суглинистые грунты занимают промежуточное положение между песчаными и глинистыми. В их составе от 3 до 30% глины. При наличии в грунте менее 10% глиныгрунт называется супесчаным, и при повышенном содержании - суглинистым.

Торфяники. Сильно увлажненные грунты, состоящие в значительной степени из растительных остатков. Под нагрузкой сильно уплотняются, при замерзании увеличиваются в объеме. Фундаменты на торфяниках закладываются лишь после специальной подготовки.

Все эти грунты являются естественными, и поэтому их называют естественными основаниями под фундамент.

Но основания под фундамент бывают и искусственными. Они необходимы в тех случаях, когда на месте строительства оказываются слабые, сильно сжимаемые грунты. Есть две разновидности искусственных оснований: насыпные и улучшенные.

Насыпные основания. Устраивают намывом или насыпкой гравия, щебня с песком и примесью глины. Для этой цели подходят также металлургические шлаки, отвалы горных выработок, строительный мусор. Свойства таких грунтов неопределенны и устанавливаются для каждого грунта в каждом конкретном случае. При длительной выдержке такие грунты постепенно самоуплотняются и через 5-10 лет становятся пригодными для закладки в них фундамента.

Состав грунтов

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии - грунтоведения.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонентов: твердой, жидкой, газообразной.

Иногда в грунте выделяют биоту - живое существо. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бактерий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, и мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему.

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействии, которое активизируется в результате строительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооружений, т.е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух и даже одной компоненты. Например. В зоне вечной мерзлоты в составе грунта может встретится твердая и газообразная компоненты либо только твердая, если все пространство между частицами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют «грунтовой массой». Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры. При внешних воздействиях, например, от строительства и эксплуатации зданий, однокомпонентная система грунта может переходить в двухкомпонентную, а двухкомпонентная - в трехкомпонентную. При этом, как правило, ухудшаются свойства грунта.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами. Часть минераловинертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Очевидно, что грунты. Полностью сложенные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метаморфических часть осадочных. Среди осадочных пород этими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующие из них при цементации песчинки и конгломераты.

Глинистые минералы составляют третью группу. Они нерастворимы в воде в отличии от минералов предыдущей группы, но их никак нельзя приравнять к инертным минералам первой группы. В силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним относятся каолинит. Монтмориллонит, иллит, и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности. Из-за мельчайших размеров и высокоразвитой поверхности глинистые минералы активно взаимодействуют с жидкой составляющей грунтов. Поэтому уже малое содержание их в общей массе грунта резко изменяет его свойства.

Органическое вещество в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а в глубоких горизонтах - в виде нефти. Бурого и каменного угля. Повсеместно на равнинных площадях с поверхности залегает почва, которая содержит 0,5…5% органических соединений. Коллоидная активность гумуса выше, чем даже глинистых минералов.

Жидкая составляющая грунтов. Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.

Вода, заполняющая поры («поровая вода»), может растворять содержащиеся в ней соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации.

Свободная вода в грунте подчиняется законам гидравлики. Она передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную. Практически вся вода, содержащаяся в трещиноватых скальных породах, крупнообломочных, гравелистых и крупных песках, относится к гравитационной. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно пылеватых песках и глинистых грунтах. Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газов в грунтезависит от объема его пор: чем больше порызаполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже - азоном, метаном, сероводородом и другими газами.

Деформация оснований и гидроэкологическое усиление грунтов. Деформация оснований

Во время строительства зданий и сооружений необходимо, что бы деформация оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций была в пределах осуществления нормальной эксплуатации объектов и отсутствия недопустимых перемещений (трещины, садки, расстройство соединений, крены и т.д. ).

Вертикальные деформации основания подразделяются на:

Осадки - деформация, которая происходит в результате уплотнения грунта из-за внешних нагрузок и в некоторых случаях - собственного веса грунта, при этом не происходит коренного изменения его структуры;

Просадки - деформации, которые происходят в результате уплотнения и вместе с тем, коренным изменением структуры грунта под воздействием нагрузок, как внешних и собственного веса грунта, так и факторов, действующих дополнительно (замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в замерзшем грунте и т.д.);

Набухание и усадки - это деформации, которые получаются при изменении объема глинистых грунтов из-за изменения их влажности, температуры - морозное пучение или химическое воздействие веществ.

Оседания - это деформации земной поверхности, которая получается при разработке полезных ископаемых, при изменении гидрогеологических условий, и т.д. В зависимости от причин возникновения деформации основания подразделяются на два основных вида.

1-й вид - деформации грунтов образованных в связи с нагрузками на основание передаваемых зданием или сооружением (садки, просадки).

2-й вид - деформации, не зависящие от нагрузки здания или сооружения, которые проявляются в виде горизонтальных и вертикальных перемещений поверхности основания (набухания и усадки, оседания, просадки грунта от собственного веса.)

Неравномерные деформации наиболее опасные для зданий и сооружений.

Основные причины неравномерных деформаций основания.

Изменение снижаемости обычных грунтов 1 типа по просадочности из-за неоднородности, выклинивания и непараллельности залегания отдельных слоев, наличие лина и других включений, неравномерного уплотнения грунтов, в т.ч. искусственных подушек, и т.д.;

Особенность деформирования основания как сплошной среды, которая проявляется, например, в том, что осадки основания происходят не только в пределах площадки загружения, но и за ее пределами;

Неравномерное увлажнение грунтов, в т.ч. просадочных, набухающих и засоленных в пределах деформируемой зоны основания;

Различие величин нагрузок на отдельные фундаменты, их размеров в плане и глубины заложения;

Неравномерное распределение нагрузок на территории в непосредственной близости от сооружения;

Нарушения правил производства строительных работ, приводящие к ухудшению свойств грунтов, ошибки, допущенные при инженерно-геологических изысканиях и проектировании оснований и фундаментов, также нарушение предусмотренных проектом условий эксплуатации здания и сооружения.

Для деформации основания 2-го вида:

Замачивание или существенное повышение влажности грунтов на площадках 2го типа по просадочности;

Подземные горные выработки;

Изменение температурно-влажностного режима некоторых видов грунтов (например, набухающих) изменение гидрогеологических условий площадки и т.д.; Влияние динамических воздействий (например, от проходящего по рядом расположенной дороге тяжелого транспорта).

Заключение

В зависимости от типа, назначения, конструктивных и технологических особенностей сооружения - с одной стороны, от особенностей геологического строения основания, физико-механических свойств грунтов и возможных их изменений в результате строительства и эксплуатации сооружения - с другой, сложность устройства оснований и фундаментов может быть различна. Этому соответствует широкая номенклатура типов фундаментов и способов улучшения строительных свойств грунтов оснований, обеспечивающая возможность строительства и нормальной эксплуатации любых сооружений в самых сложных инженерно0геологических условиях.

Однако стоимость, трудоемкость и длительность работ, связанных с устройством оснований и возведением фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях, может составлять весьма значительную часть общих расходов на строительство сооружения. Поэтому всегда важно оценить технико-экономическую целесообразность размещения тех или иных сооружений в определенных инженерно-геологических условиях.

Очень важной составляющей всего комплекса являются инженерно - геологические и геотехнические изыскания на площадке предполагаемого строительства. Необходимо всегда помнить, что изыскания проводятся для проектирования и строительства определенного сооружения или комплекса сооружений. Поэтому программа изысканий должна учитывать специфические особенности проектируемых зданий и сооружений. А рекомендации изыскателей содержать конкретную информацию, необходимую для проектирования и строительства именно этих зданий и сооружений. Целесообразна, особенно в сложных инженерно-геологических условиях, тесная взаимосвязь между проектировщиками и изыскателями, что позволит своевременно вносить необходимые коррективы в программу изысканий, а в случае необходимости - и в проект сооружения. Это обеспечит повышение качества и сокращение продолжительности проектно-изыскательных работ.

Литература

1.С.Б.У хов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский, З.Г. Тер-Мартиросян, С.Н. Чернышев. Механика грунтов, основания и фундаменты / Учебное пособие: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005 г. - 528с.

Размещено на Allbest.ru