Механика грунтов как научная дисциплина

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Составные элементы грунтов

1 - твердые минеральные частицы; 2 - вода в различных видах и состояниях; 3 - газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения.

2. Вопросы, изучаемые механикой грунтов

В разделе "Механика грунтов" рассматриваются физико-механические свойства грунтов, методы расчета прочности и деформаций оснований, а также способы определения давления грунта на ограждения. Механика грунтов научная дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформируемое состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против оползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями. Задачи, которые решаются в механике грунтов:

- установление физических и механических свойств грунтов и возможности их использования в нужных целях, а в случае необходимости, улучшение строительных свойств грунтов;

- определение напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов, возможного его изменения в последующем;

- определение общей устойчивости этих массивов, взаимодействующих с инженерными сооружениями, или непосредственно устойчивости их самих, если они являются сооружениями.

3. Виды воды в горных породах

Вода в горных породах находится либо в свободном, либо в связанном состоянии. Поэтому выделяют две категории воды в горных породах - свободную и связанную.

В настоящее время предложено следующее подразделение видов воды в породах:

а)Вода в форме пара

б)Физически связанная вода: 1) прочносвязанная (гигроскопическая) вода; 2) слабосвязанная (пленочная) вода

в)Свободная вода: 1) капиллярная вода; 2) гравитационная вода

г)Вода в твердом состоянии

д)Кристаллизационная вода

е)Химически связанная вода

4. Структурные связи в грунтах

Структурные связи в грунтах - связи между частицами грунта (минеральные зёрна, обломки горных пород и пр.). Они подразделяются на:

1.Химические (ковалентные, ионные).

2.Физические и физико-химические (молекулярные, электростатические, магнитные, ионно-электростатические, капиллярные).

3.Механические (зацепления).

5. Физические свойства грунтов; плотность, удельный вес

Плотность грунта - отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этой массой объему.

= (mт + mв)/(vт + vв) - г/см3 или т/м3

Плотность частиц грунта - отношение массы частиц грунта к занимаемому им объему.



s = mт /vт - г/см3 или т/м3

Плотность сухого грунта - отношение массы сухого грунта с ненарушенной структурой к занимаемому этим грунтом объему d = mт/(vт + vп).

Удельный вес грунта (), удельный вес твердых частиц грунта (s)

= g, здесь g = 9,81 м/сек2 s = gs

Удельный вес грунта в сухом состоянии d = gd.

6. Определение плотности грунта: Определение плотности грунтов

Плотность частиц грунтас_s = m_s / V

Плотность влажного грунта

Плотность сухого грунта

7. Классификационные показатели грунта: гранулометрический состав и его распределение в единице объема, плотность песчаных и консистенция глинистых почв

грунт деформация горный глинистый

Под классификационными показателями следует понимать показатели состава, состояния и свойств грунтов. Показатели состава, строения и свойств грунтов, которые позволяют относить грунты к определенным классификационным подразделениям, называются классификационными. Для несвязных грунтов в качестве классификационных используются показатели, оценивающие в основном его структуру, гранулометрический состав, форма частиц, объемный вес и др. Помимо этих показателей для первичной оценки свойств грунта используются: коэффициент уплотняемости, критическая пористость, угол естественного откоса.

Для глинистых грунтов первостепенное значение имеет не только структура грунта, оцениваемая гранулометрическим составом, числом пластичности, пористостью -- влажностью и рядом других, но и их состав, оцениваемый показателем коллоидной активности или гидрофильности, содержанием водорастворимых солей, органики и др.

Для скальных пород наиболее часто при первичном описании применяется величина пористости и прочности, а также параметры упругих свойств, определяемые по скорости распространения звуковых и ультразвуковых продольных и поперечных волн.

8. Пористость, коэффициент пористости, коэффициент водонасыщения грунта

Пористость - характеризует объем всех пустот в грунте. Пористость зависит от минерального состава и формирования грунта. Чем больше дисперсность грунта, тем больше его пористость

n = vп /(vт + vп) х 100.

Коэффициент пористости отношение объема пор к объему твердых частиц е = vп / vт.

Степень заполнения пор в грунте характеризуется коэффициентом водонасыщения (G)



, где

w - природная влажность грунта

- предельная влажность грунта, возможная при данной пористости, или полная влагоемкость

9. Консистенция глинистых грунтов

У глинистых грунтов при изменении влажности изменяется его состояние, свойства, консистенция. Различают три формы состояния глинистого грунта: твердое, пластичное, текучее.

Для глинистых грунтов первостепенное значение имеет не только влажность, но и диапазон влажности, в котором грунт будет пластичным. Этот диапазон характеризуется так называемым число, или индексом пластичности, и равен разности между двумя влажностями, выраженными в %:

, где

- влажность на границе текучести; - влажность на границе раскатывания.

соответствует влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние.

По числу пластичности определяют наименование глинистого грунта.

Если < 1,0 - грунт песчаный;

= от 1 до 7 - грунт называется супесью;

= от 7 до 17 - суглинок;

> 17 - глина.

Уплотненность глинистых грунтов определяется их консистенцией, под которой понимают густоту и в известной мере вязкость грунтов, обуславливающие способность их сопротивляться пластичному изменению формы. Густота и вязкость грунтов зависят от количественного соотношения твердых частиц и воды в единице объема грунта, а также от сил взаимодействия между частицами грунта. Показателем консистенции, или индексом текучести, служит выражение:

По показателю консистенции глинистые грунты классифицируются на категории: супеси - на твердые, пластичные и текучие; суглинки и глины - на твердые, полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные, текучепластичные и текучие.

10. Определение влажности грунта

Попутно с плотностью определяют влажность грунтов следующими способами:

- сушкой проб грунтов в сушильном шкафу;

- обжигом проб грунтов;

- радиометрическим.

По первому способу 5-7 г грунта в бюксах помещают в сушильный шкаф и высушивают при 100-105° С в течение 4-6 ч до постоянного веса.

Влажность грунта вычисляют по формуле



гдеР, Р₁, Р₂ - соответственно вес бюксы, бюксы с влажным и сухим грунтом.

Обжиг грунта применяется, когда требуется срочно определить влажность. Пробу грунта помещают в фарфоровую чашечку, заливают спиртом, который затем выжигают. По разности веса влажного и сухого грунта - по той же формуле вычисляют влажность. На 10 проб затрачивается 15-20 мин. Этот способ нельзя применять для грунтов, содержащих более 5% органических остатков.

При радиометрическом способе влажность грунтов определяется по графику связи между влажностью и количеством импульсов, попавших в регистрирующий прибор (рис. 59, з). Измерения производятся с помощью приборов типа НИВ (нейтронный измеритель влажности). Источником нейтронов служат плутоний + бериллий.

Влажность замеряют через скважину, как на гамма-плотномерах. Способ имеет те же преимущества и недостатки, что и радиометрический способ замера плотности грунтов.

11. Классификация частиц грунтов по их размерам, построение кривой гранулометрического состава грунта

В зависимости от среднего размера частиц, мм, составляющих грунт, их подразделяют на:

- глинистые -< 0,005;

- пылеватые-0,005...0,05;

- пески-0,03...3;

- гравий-3...40;

- галька, щебень- 40... 200;

- камни, валуны -> 200

КРИВАЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА это графическое изображение гранулометрического состава горной породы. По оси ординат откладывают весовые проценты содержания каждой фракции, а по оси абсцисс -- логарифмы размера (диаметра) частиц. Кривая гранулометрического состава дает возможность очень легко определять действующий (эффективный) диаметр и коэффициент неоднородности. Действующий диаметр (d₁₀) равен диаметру, которому соответствует ордината 10% на графике. Коэффициент неоднородности показывает степень неоднородности песка по гранулометрическому составу и определяется отношением диаметра фракции, соответствующего ординате 60 % к действующему диаметру (d₁₀).

12. Плотность сложения несвязных грунтов

Плотность сложения несвязных грунтов обычно характеризуется либо величиной коэффициента пористости (е), либо величиной относительной плотности (I_D)

где с_s -- плотность частиц грунта, г/см³;

с_d -- плотность сухого грунта, г/см³.

I_D определяется по формуле:

,

где е -- коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении;

e_max -- коэффициент пористости в предельно-плотном сложении;

e_min -- коэффициент пористости в предельно-рыхлом сложении.



13. Основные допущения, принимаемые в расчетных схемах в механике грунтов

Классическая механика грунтов основана на ряде следующих допущений :

а) грунт деформируется как квазиоднородное упругое тело, если напряжения в скелете грунта не превышают его структурную прочность;

б)поровая вода является несжимаемой;

в)присутствие в порах газа и пара не оказывает существенного влияния на процесс деформирования грунта;

г)сжимаемость минеральных частиц грунта пренебрежимо мала;

д)деформируемость грунта под нагрузкой обусловлена, в основном, переупаковкой скелета после разрушения структурных связей, приводящей к изменению объема пор.

14. Определение просадочности грунта

К просадочным относят грунты, которые под действием внешней нагрузки или собственной массы при замачивании водой или другой жидкостью дают просадку и при этом величина относительной просадочности . Относительная просадочность грунта определяется по уравнению:

h_пр-высота образца грунта природной влажности, обжатого(в приборе) определенным давлением

h_sdtp - высота того же образца грунта после пропуска через него воды при том же давлении

h_пд - первоначальная высота грунта естественной влажности, обжатого природным (бытовым) давлением

Если , то грунты относят к просадочным.

Наибольшее распространение получили способы определения относительной просадочности грунта на компрессионных приборах по методу двух или одной кривой. В первом случае компрессионным испытанием подвергают две пробы грунта: одну - при естественной влажности, вторую - при полном водонасыщении, и строят графики зависимости коэффициента пористости от давления (компрессионные кривые), которые позволяют найти относительную просадочность грунта при заданном давление.

Во втором случае испытывают одну пробу грунта естественной влажности до заданного давления. После стабилизации осадки грунт насыщают водой, измеряют величину е_SL (после стабилизации осадки) и испытания продолжают уже для водонасыщенного грунта.

15. Сжимаемость грунта, закон уплотнения

Сжимаемость - свойство грунта изменять свое строение за счет уменьшения пористости под влиянием внешних воздействий (прикладываемой к грунту нагрузки, сил капиллярного натяжения при высыхании и т.п.). Сжимаемость грунта определяется экспериментальным путем.

Основным прибором для лабораторного определения служит компрессионный прибор или одометр. По результатам испытания определяют модуль сжимаемости грунта:

,



где и - коэффициенты пористости до начала испытания и после испытания образцов грунта; р - действующее давление.

По модулю сжимаемости грунты подразделяются на три категории:

- сильносжимаемый - m > 0,5 (МПа)-1

- среднесжимаемый - 0,1>m > 0,5 (МПа)-1

- малосжимаемый - m < 0,5 (МПа)-1

Для грунтов полностью водонасыщенных изменение пористости возможно лишь при изменении их влажности.

Закон уплотнения грунта формулируется следующим образом : изменение коэффициента пористости при достаточно малом изменении давления пропорционально изменению давления.

Сжимаемость грунтов - способность грунтов изменять свое строение (упаковку твердых частиц) под влиянием внешних воздействий на более компактное за счет уменьшения пористости.

Передача внешней нагрузки на грунты оснований через фундаменты сооружений приводит к образованию нормальных напряжений, вызывающих деформации скелета грунта, а также уменьшение объема его пор. При небольших давлениях деформации скелета грунта незначительны, и уплотнение происходит в основном из-за уменьшения пористости. Основные закономерности такого деформирования рассматривает закон уплотнения (компрессии) -- изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.

16. Коэффициент сжимаемости, коэф. относительного сжимания грунта

Компрессия - это сжатие грунта без возможного бокового расширения.

Коэффициент сжимаемости есть отношение изменения коэффициента пористости к разности давлений. Значение коэффициента сжимаемости определяется по формуле



где m<o - коэффициент сжимаемости грунта.

соответствии с полученными значениями коэффициента относительной сжимаемости СП (СНиП) определяет 3 категории грунта:

mo< 0,005 - грунт мало сжимаемый.

mo = 0,005ч0,05 - грунт средне сжимаемый.

mo> 0,05 - грунт сильно сжимаемый.

где е1 - значение коэффициента пористости при давлении p1; е2 - значение коэффициента пористости при давлении p2.

Коэффициентом относительной сжимаемости называется относительная деформация, приходящаяся на единицу давления. Определяется по формуле



где mv и m0 -- коэффициенты, измеряемые в единицах, обратных единицам давления, т. е. в МПа-1; si -- осадка образца при изменении давления от 0 до pi по компрессионной кривой.

17. Коэффициент бокового давления

При действии вертикальной нагрузки грунт сжимается и стремится расшириться в стороны, при этом возникает давление, которое называют боковым распором.

Коэффициент бокового давления необходим для расчета различного рода подпорных сооружений, ограждений, креплений откосов и т. п. Величина коэффициента бокового давления для грунтов зависит от дисперсности, плотности, влажности, химико-минералогического состава.

Для нормально уплотненных глинистых грунтов коэффициент бокового давления в зависимости от их плотности и состава изменяется в пределах 0,3--0,8. Для переуплотненных глинистых грунтов в природном залегании часто горизонтальное давление превышает действующее вертикальное. Подобное явление в переуплотненных глинах объясняется накоплением в них энергии деформации, которая освобождается при их вскрытии в откосах и котлованах и приводит к разрыву связей между частицами грунта и к образованию трещин бортового отпора.

Минералогический состав определяет величину трения частиц друг о друга: чем выше трение между частицами, тем ниже коэффициент бокового давления.

Боковое давление в этом случае является реактивным. Примером может служить грунт, обжимаемый в одометре. Коэффициент бокового давления зависит от вида грунта, его плотности и влажности. С коэффициентом Пуассона он связан следующей зависимостью:



Он изменяется в пределах от 0 до +1.

18. Определение набухания грунта

Набухаемость - это способность грунтов увеличивать свой объем и развивать давление набухания в процессе их гидратации или взаимодействия с химическими растворами.

Показатели набухания:

Относительная деформация набухания (еsw) - или степень набухания, равна отношению абсолютной деформации образца, свободно набухшего в условиях не возможности бокового расширения (Дh), к первоначальной высоте образца с исходной (природной) влажностью (h); измеряется в % или долях единицы:

еsw=Дh/h,

По этому показателю, согласно ГОСТ 25100-95, к набухающим относят грунты при еsw?0,04.

Влажность свободного набухания (Wsw ) - это конечная влажность образца, полностью набухшего без возможности бокового расширения и какого-либо внешнего ограничения (без давления на образец); измеряется в %. При набухании грунта под внешним давлением определяется конечная влажность набухшего образца, соответствующая определенному давлению;

Давление набухания (Psw) - это то давление, которое грунт оказывает на внешнее ограничение в процессе своего набухания. Численно оно равно противодавлению, при котором еsw = 0; измеряется в МПа; Скорость набухания (Vs) - определяется как отношение Деsw /Дt; она является переменной величиной в процессе набухания. При оценке Деsw в долях единицы скорость набухания измеряется в c -1 или мин-1;

Период набухания (tsw) - это время, в течение которого завершается процесс набухания образца грунта и скорость становится равной нулю; измеряется в единицах времени.

(sw - индекс)

Категория грунтов	Относительная деформация набухания, еsw	Давление набухания(нормативное), МПа
Ненабухающие	<0,04	<0,02
Слабонабухающие	0,04-0,08	0,02-0,09
Средненабухающие	0,08-0,12	0,09-0,17
Сильнонабухающие	>0,12	>0,17

19. Модуль общей деформации грунта и его определение

Модуль общей деформации грунта используется в качестве деформационного показателя и характеризует упругие и остаточные деформации. Он является важной характеристикой, используемой для расчета оснований и сооружений по деформациям. Модуль общей деформации определяется в полевых и лабораторных условиях. Наиболее распространен способ проведения компрессионных испытаний с последующей их обработкой. В этом случае модуль общей деформации:

где е -- коэффициент пористости грунта в природном состоянии;

m0 - коэффициент сжимаемости (уплотнения) МП -1;

в-- безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от коэффициента поперечного расширения v по формуле



или от коэффициента бокового давления о

Для крупнообломочных грунтов в = 0,8; песков и супесей -- 0,74, суглинков -- 0,62 и глин -- 0,93.

Значение модуля деформации грунта, найденное с использованием компрессионных кривых, отличается от действительного, так как при отборе образцов грунта все же происходит какое-то нарушение его природной структуры. Поэтому для определения модуля деформации используют полевой метод испытания грунта статической нагрузкой. По результатам испытаний строится график зависимости осадки от нагрузки.

20. Использование модуля общей деформации грунта в расчетных уравнениях механики грунта



21. Определение угла естественного откоса несвязных грунтов

Углом естественного откоса называется угол, образуемый поверхностью свободно насыпанного песка с горизонтом. Частицы песчаного грунта на откосе под углом естественного откоса находятся в состоянии предельного равновесия, т.е. сдвигающие усилия по наклонной плоскости будут равны удерживающим силам трения. Величина сил трения рыхлого песчаного грунта при отсутствии сил сцепления будет определяться величиной угла внутреннего трения, следовательно, условия предельного равновесия будут характеризоваться равенством углов откоса() и внутреннего трения ().

Таким образом для сыпучего грунта в рыхлом состоянии угол с горизонтом свободно отсыпанного откоса (угол естественного откоса) можно прировнять к углу внутреннего трения.

Угол естественного откоса зависит от окатанности зерен, гранулометрического состава песка и не зависит от высоты откоса. Следует отметить что угол естественного откоса песчаных грунтов под водой значительно уменьшается, особенно характерно это проявляется для пылеватых песков. Поэтому в лабораторных условиях угол естественного откоса определяют в воздушно сухом состоянии и под водой.

В естественных условиях угол естественного откоса определяют прямым замером при отсыпке. В лабораторных условиях применяют различные приборы отличающееся по конструкции и способу удалению избыточных масс грунта с образующегося откоса. Для правильного определения угла естественного откоса это условие является решающим

22. Водопроницаемость грунтов. Закон ламинарной фильтрации

Водопроницаемость грунтов -- способность водонасыщенных грунтов пропускать сквозь себя воду за счёт градиента напора.

Водопроницаемость грунтов зависит от большого числа факторов. Наиболее существенно на kф влияют структурно-текстурные особенности грунта: гранулометрический состав, его однородность, форма и размер пор, ширина раскрытия трещин и т.п. В зависимости от этих факторов коэффициент фильтрации различных грунтов меняется в очень широких пределах.

По степени водопроницаемости грунты можно разделить на три группы:

Водопроницаемые, полупроницаемые; непроницаемые.

К водопроницаемым грунтам относятся галечник, гравий, песок, а также все сильно трещиноватые породы.

К полупроницаемым грунтам можно отнести такие породы, как супеси и суглинки, лёсс, торф, реже пористые известняки и мергели. К непроницаемым грунтам принадлежат глины, а также массивные кристаллические и нетрещиноватые осадочные породы.

Экспериментально ученым Дарси было установлено, что скорость фильтрации прямо пропорционально разности напоров () и обратно пропорциональна длине пути фильтрации :

,

где - гидравлический градиент (градиент напора); - коэффициент фильтрации (основная фильтрационная характеристика грунта).

Закон ламинарной фильтрации Дарси: скорость движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.



23. Определение коэффициента фильтрации различными способами

Коэффициентом фильтрации называют скорость фильтрации воды при градиенте напора, равном единице, и линейном законе фильтрации.

1. Через образец грунта пропускают поток воды. На поверхности образца грунта размещают грузик. Фиксируют начало погружения грузика. Измеряют параметры образца и потока воды. Рассчитывают по измеренным показателям коэффициент фильтрации грунта. Фиксируют величину концентрации фульвокислоты в потоке воды, прошедшем через образец грунта. При снижении величины концентрации на 10% от начального значения вводят в поток воды, направляемый в образец грунта, раствор фульвокислоты, восстанавливая величину концентрации фульвокислоты в потоке воды, прошедшем через образец грунта, до начального значения. Использование заявленного способа расширяет функциональные возможности определения коэффициента фильтрации грунта, позволяет быстро и точно определить коэффициент фильтрации грунта, подверженного воздействию фульвокислоты, в зоне распространения подзолистых почв.

2. Известен способ определения коэффициента фильтрации грунта, по которому пропускают через образец грунта поток воды, измеряют площадь поперечного сечения, длину образца и объем потока воды за определенный интервал времени, рассчитывают по измеренным показателям коэффициент фильтрации грунта.

3. Наиболее близким по технической сущности и цели предлагаемого технического решения является способ определения коэффициента фильтрации грунта, по которому через образец грунта пропускают поток воды, на поверхности образца грунта размешают грузик, фиксируют начало погружения грузика, измеряют параметры образца и потока воды, рассчитывают по измеренным показателям коэффициент фильтрации грунт.



24. Начальный градиент давления при фильтрации в глинистых грунтах

25. Эффективное и нейтральное давление в грунтовой массе

Рассматривая грунтовую массу как двух фазную систему, состоящую из скелета - минеральных частиц и поровой воды, введем понятия:

· Р_z - эффективное давление, давление в скелете грунта (уплотняет и упрочняет грунт).

· Р_w - нейтральное давление, давление в поровой воде (создает напор в воде, вызывая ее фильтрацию).

В любой момент времени в полностью водонасыщенной грунтовой массе имеет место соотношение

Р = Р_z+ Р_w ,

где Р - полное давление:

Р_z - на представленной схеме моделируется работой пружины, а Р_w- давление, возникающие в воде.

Модель грунтовой водонасыщенной массы. В первый момент времени передачи нагрузки давления передаются на воду, затем в работу включается скелет грунта (пружина).

Тогда можно записать:

· при t = 0; Р = Р_w

· при t = t₁; Р = Р_w + Р_z

· при t = ?; Р = Р_z - это теоретически; практически для того чтобы Р_w ?0, требуется длительный период времени.

Следует подчеркнуть, что осадка зданий, сооружений может происходить и при Р = Р_z за счет явлений ползучести скелета грунта, т.е. достаточно длительно.



График развития осадки сооружения во времени для глинистого и песчаного основания

На представленном графике видно, что за период возведения здания осадка сооружения на песчаном основании, практически стабилизировалась. Осадка же здания на глинистом грунте может продолжаться довольно длительно и после срока возведения сооружения (десятки лет). В этом случае скорость протекания осадки будет также зависеть от фильтрационных особенностей глинистого основания (теория фильтрационной консолидации).

26. Закон Кулона в механике грунтов

Деформируемость грунтов во времени зависит от долей напряжений, которые передаются на частицы скелета грунта.

Для сыпучих грунтов (различного рода пески, крупнообломочные грунты, галечники). Зависимость у - ф принимается прямой, проходящей через начало координат и наклонной к оси нормальных напряжений у под углом внутреннего трения ц.



Из графика можно записать следующую зависимость: ф = у tgц

Указанная зависимость - условие прочности грунта (закон Кулона) для сыпучих тел: сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трения, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Для связных грунтов (пылевато-глинистые грунты) прямая у - ф не проходит через начало координат, а отсекает отрезок c на оси ф, так как в связных грунтах, обладающих сцеплением между частицами, при отсутствии нормального давления (у = 0) сопротивление грунта сдвигу больше нуля, что обусловливается силами сцепления (рис. 6).



Общее сопротивление сдвигу связного грунта можно выразить уравнением:

ф = у tgц + c

Таким образом, сопротивление связного грунта сдвигу складывается из сопротивления трения, пропорционального нормальному давлению, плюс сцепление, не зависящее от давления.

27. Испытание песчаных грунтов на сдвиг

Определение сопротивления грунтов сдвигу производится методами:

- консолидированного (медленного) сдвига, при котором до приложения сдвигающего усилия образец уплотняют соответствующим вертикальным давлением. Испытание проводится в условиях свободного оттока воды (дренирования). Метод применяется для исследования грунтов в условиях уплотненного состояния и дает возможность оценить прочность основания построенного сооружения;

- неконсолидированного (быстрого) сдвига, при котором сдвигающее усилие прикладывается без предварительного уплотнения образца в условиях отсутствия дренирования. Метод применяется для исследования грунтов в условиях нестабилизированного состояния (для суглинков и глин при степени влажности Sr і 0,85 и показателе текучести JL і 0,5).

Определение t необходимо производить не менее чем при трех различных величинах вертикального давления p на трех образцах грунта, вырезанных из одного однородного по строению и составу монолита или, в необходимых случаях, на образцах, подготовленных в лаборатории.



28. Испытание связных грунтов на сдвиг

Связные грунты (глины, суглинки и супеси) отличаются от сыпучих грунтов тем, что частицы их связаны между собой адсорбированными пленками воды, коагулированными коллоидами и цементирующими веществами, вследствие чего даже при весьма малых деформациях сдвига грунт обладает известной прочностью, обусловленной силами сцепления.

При исследовании связных грунтов испытывают несколько (не менее двух) образцов грунта на предельное сопротивление их прямому срезу. Как отмечалось ранее, при испытании плотных глин на приборах прямого среза необходимо учитывать фактическую поверхность среза, т. е. при небольших нагрузках вводить поправку на косой срез, пересчитывая напряжения по формулам, что может существенно сказаться на величине получаемых расчетных характеристик.

29. Структурно-фазовая деформируемость грунтов

Структурно-фазовая деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости их структурных связей, так и от деформируемости отдельных компонентов, слагающих грунт.

Многочисленные исследования показывают, что зависимость между напряжениями и деформациями нелинейна, и в общем виде ее можно записать как

e = a_c s_c+ a _n(s_n -s_c)^m



30. Определение напряжений в грунтовой толще

Боковые напряжения s х составляют обычно долю от вертикальных, то есть s х=x 0s z.



33. Уравнение предельного равновесия для несвязных грунтов

Образец грунта окружает вода, поэтому при приложении вертикальной нагрузки или давления Р₁, со стороны воды на образец грунта будет действовать боковое давление Р₂.

Поскольку предельное состояние (разрушение в грунте) возникает от действия касательных напряжений, то оно может произойти тогда, когда точка М (ее положение) коснется прямой Кулона, прямой предельного состояния грунта.

В процессе испытаний оставляем неизменным Р₂ и увеличиваем Р₁. Максимальное значение Р₁ будет, когда круг Мора коснется прямой Кулона.

ф_пр=P tgц - уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу для песчаного грунта, т.е. процесс разрушения.

Описанная методика испытаний схематично представлена на нижерасположенном левом рисунке.

Может быть применена и другая методика испытаний:

В процессе испытаний оставляем неизменным Р₁ и уменьшаем (сбрасываем боковое давление) Р₂. Минимальное значение Р₂ будет, когда круг коснется прямой Кулона.

Данная методика испытаний также схематично представлена в правой части рисунка. Из представленной схемы в момент предельного состояния, когда точка М круга Мора коснется прямой Кулона (точка В на левом рисунке), можно записать, что треугольник ОВС - прямоугольный, ВС - радиус, тогда:

- уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу при трёхосном напряжённом состоянии (для сыпучих грунтов)

34. Уравнение предельного равновесия для связных грунтов

- уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу при трёхосном напряжённом состоянии (для связных грунтов).

35. Критические нагрузки на грунт

Предельная критическая нагрузка при соответствует напряжению под подошвой фундамента, при котором происходит исчерпание несущей способности грунтов основания. При этом в основании формируются развитые области предельного равновесия, что сопровождается при относительно небольшой глубине заложения фундамента выдавливанием грунта на поверхность основания и образованием валов выпирания.

Таким образом, нагрузка, соответствующая, приводит к полной потере устойчивости грунта основания и является абсолютно недопустимой для проектируемого сооружения.



36. Устойчивость массивов грунтов при оползнях

Главнейшими причинами нарушения устойчивости массивов грунта являются внешние воздействия, увеличение активного действия нагрузки и уменьшение сопротивлений. Эти причины возникают как отдельно, так и совместно, обусловливая различные виды оползней, обвалов, сплывов и выдавливаний. Внешними воздействиями могут быть: устранение естественной опоры для земляных масс, расположенных на наклонном плотном слое рытье канав и котлованов, прорезающих слабые слои, нагруженные весом вышележащих слоев; подмыв склонов и обрывов текущей водой и т. п. Увеличение активного действия нагрузки весьма часто служит причиной нарушения устойчивости земляных масс. Это увеличение может быть как в чистом виде, например при воздействии искусственных сооружений, насыпей и пр., так и вследствие изменений физического состояния грунта и действующих в нем усилий. Весьма часто причиной оползней и обвалов является увеличение веса слоев грунта вследствие насыщения их водой во время продолжительных дождей или наводнения. Если грунт был сухим, то при насыщении водой он увеличивает свой объемный вес на величину веса воды, заполняющей поры. При понижении уровня грунтовых вод может быть увеличение веса грунта вследствие устранения взвешивающего действия воды. Это особенно резко сказывается в водопроницаемых грунтах.

37. Метод крупно-цилиндрических поверхностей скольжения в грунтах

В этом методе силы взаимодействия между соседними отсеками не учитываются, опираясь на то, что сумма этих сил должна быть равна нулю, а суммарный момент от них относительно точки O невелик. Касательная сила от всех нагрузок



PQi=Pisinб

i является сдвигающей силой, вызывающей сползание откоса.

Сила сопротивления сдвигу сыпучего тела, находящегося за поверхностью скольжения (реакция), может быть представлена в виде суммы сил трения и сцепления:

Ti =Ni tanцi+ cisi,

где Ni - нормальная реакция опоры.

si - длина дуги поверхности скольжения в пределах данного элемента i

цi - угол внутреннего трения в пределах дуги si

ci - удельное сцепление в пределах дуги si.

Из уравнения проекций всех сил на нормаль к площадке отсека получаем.

Ni =PNi =Pi cosбi,

Второе уравнение проекций остается неудовлетворенным, так как силы взаимодействия между отсеками не рассматривается. Условие равновесия откосов сводится к уравнению моментов всех сил, действующих на сползающую призму, относительно центра O поверхности скольжения.

Учет сейсмического воздействия при расчете противооползневых удерживающих конструкций осуществляется добавлением к расчетным усилиям, так называемой сейсмической силыQci. Сейсмическая сила Qci приближенно определяется как доля от веса массы грунта, которая претерпевает сейсмическое воздействие:

Qci = м*Pi



где м - коэффициент динамической сейсмичности

окончательно получим::

38. Давление грунта на подпорные стены

Давление грунта на ограждающую поверхность зависит от многих факторов:

· способа и последовательности засыпки грунта;

· естественного и искусственного трамбования;

· физико-механических свойств грунта;

· случайных или систематических сотрясений грунта;

· осадок и перемещений стенки под действием собственного веса, давления грунта;

· типа сопряженных сооружений.

Для расчета подпорной стенки необходимо знать полное давление на любой участок, считая от поверхности земли. Рассматривая бесконечно длинную стенку с одинаковыми условиями по ее длине, приводим задачу к плоской. В этом случае рассматривается подпорная стенка протяженностью 1 м. Давление грунта, приходящееся на единицу высоты стенки шириной 1 м, называется интенсивностью давления, которая считается распределенной по высоте стенки по линейному закону.

Графоаналитический метод следует рассматривать как универсальный метод, позволяющий получать решения с точностью 2%.

Известный французский исследователь Шарль Кулон впервые получил данное решение при расчете оборонительных укреплений на юге Франции еще в IX веке.



Расчётная схема для определения максимальной величины бокового давления грунта на подпорную стенку по методу Кулона.

Ш. Кулон рассматривал задачу устойчивости массивной подпорной стенки с наклоненной задней гранью АВ и при произвольной конфигурации поверхности грунта за подпорной стенкой

Основные допущения, положенные в основу данного метода расчета:

· Поверхность возможного скольжения грунта в момент предельного состояния (АС) - плоская.

· Обрушение поверхности скольжения происходит при максимальном давлении грунта на подпорную стенку.

Ш. Кулон рассматривал эту задачу на основе уравнения статики (равновесия) в следующей последовательности:

1. Вес призмы обрушения АВС - можно найти с любой заданной точностью Q.

2. По стороне АС со стороны неподвижного грунта, действует реактивное давление R , цо - угол трения между грунтом и поверхностью стенки.

3. Еб - активное давление грунта на подпорную стенку.

4. Строим многоугольник сил, который должен быть замкнутым в условиях равновесия, и вычисляем соотношения:



39. Определение расчетного сопротивления грунта основания

R - расчетное сопротивление грунта основания, это такое давление, при котором глубина зон пластических деформаций (t) под подошвой фундамента равна 1/4b.

· где гc1 - коэффициент работы грунтового основания (1,1 - 1,4);

· гc2 - коэффициент работы здания или сооружения во взаимодействии с основанием (1,0…1,4 для здания с жёсткой конструктивной схемой; 1 - для здания с гибкой конструктивной схемой).

· K - коэффициент надёжности (1,1 - при определении характеристик грунтов по косвенным данным); (1 - при определении характеристик грунтов по непосредственным данным).

· Mг; Mq; Mc - эмпирические коэффициенты (табличные значения), зависящие от цII (расчетное значение угла внутреннего трения грунта несущего слоя, определённого по предельному состоянию).

· b - меньшая сторона подошвы фундамента (м);

· гII' - осреднённое (по слоям) расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше отметки подошвы фундамента;

· гII - то же, но для грунта, залегающего ниже подошвы фундамента; cII - расчетное значение удельного сцепления несущего слоя грунта, определённого по II предельному состоянию;

· db - глубина подвала (м);

· d1 - глубина заложения фундаментов без подвальных сооружений; приведенная глубина заложения для зданий с подвалом, определяемая по формуле:

d1 = h2 + h1гп / гII'

в соответствии с обозначениями на приведённой схеме.

· гп - удельный вес конструкции пола подвала.



40. Классификация грунтов по сейсмическому воздействию СНиП II-7-81

Категория групп по сейсмическим свойствам	Грунты	Сейсмичность площадки строительства при сейсмичности района, баллы
		7	8	9
I	Скальные грунты всех видов (в том числе вечномерзлые и вечномерзлые оттаявшие) невыветрелые и слабовыветрелые; крупнообломочные грунты плотные маловлажные из магматических пород, содержащие до 30 % песчано-глинистого заполнителя; выветрелые и сильновыветрелые скальные и нескальные твердомерзлые (вечномерзлые) грунты при температуре минус 2 °С и ниже при строительстве и эксплуатации по принципу I (сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии)	6	7	8
II	Скальные грунты выветрелые и сильновыветрелые, в том числе вечномерзлые, кроме отнесенных к I категории; крупнообломочные грунты, за исключением отнесенных к I категории; пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные и средней плотности маловлажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем консистенции IL 0,5 при коэффициенте пористости е < 0,9 для глин и суглинков и е < 0,7 - для супесей; вечномерзлые нескальные грунты пластичномерзлые или сыпучемерзлые, а также твердомерзлые при температуре выше минус 2 °С при строительстве и эксплуатации по принципу I	7	8	9
III	Пески рыхлые независимо от влажности и крупности; пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные и средней плотности водонасыщенные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности влажные и водонасыщенные; глинистые грунты с показателем консистенции IL > 0,5; глинистые грунты с показателем консистенции IL < 0,5 при коэффициенте пористости е > 0,9 для глин и суглинков и е > 0,7 - для супесей; вечномерзлые нескальные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу II (допускается оттаивание грунтов основания)	8	9	> 9

41. Особенные характеристики насыпных грунтов

НАСЫПНЫЕ ГРУНТЫ -- образуются путём отсыпки сухим способом природных грунтов, минеральных отходов промышленных производств, твёрдых бытовых отходов.

Используются для планировки территории перед их застройкой или хозяйственным освоением, возведения земляных сооружений (насыпей автомобильных и железных дорог, плотин, земляных валов и др.), устройства искусственных оснований под фундаменты (песчаные, гравийные, шлаковые, грунтовые подушки), выполнения обратных засыпок котлованов.

Насыпные грунты подразделяются: на планомерно возведённые насыпи (обратные засыпки котлованов, подсыпки при планировке территории, подушки под фундаменты, земляные сооружения дорог, плотин и др.), характеризующиеся однородным составом, сложением и равномерной сжимаемостью; отвалы грунтов и отходов различных промышленных производств, имеющие однородный состав и сложение, но неравномерную плотность и сжимаемость; свалки грунтов, отходов производств и бытовых отходов, характеризующиеся неоднородным составом, сложением, неравномерной плотностью, сжимаемостью и повышенным содержанием органических веществ. Свойства насыпных грунтов определяются их составом, степенью уплотнения, способом отсыпки, влиянием динамических и других уплотняющих воздействий, гидрологическими условиями и т.п. Изучение и прогнозирование изменения свойств насыпных грунтов производятся в процессе выполнения инженерно-геологических изысканий. Повышение качества прочностных, деформационных характеристик насыпных грунтов достигается их уплотнением: трамбованием (тяжёлыми трамбовками, трамбующими машинами), укаткой (катками, автотранспортом), вибрацией (вибрационными машинами, катками, глубинными вибраторами), взрывами (глубинными, подводными), статической нагрузкой (замачиванием, водопонижением, пригрузкой, в т.ч. с устройством дрен), а также химическим закреплением силикатизацией, смолами и другими растворами.

42. Понятие о реологии и нелинейной механике грунтов

Реология ? это дисциплина, изучающая текучесть и деформацию материалов под воздействием приложенных сил.

Реология как наука, изучающая вопросы течения материалов, имеет три основных направления исследований: медленно развивающихся во времени деформаций - деформаций ползучести; расслабления (уменьшения) напряжений при постоянстве деформации - релаксации напряжений; разрушения материалов при длительном действии нагрузки - длительной прочности материалов. Реологические процессы особенно характерны для пылевато-глинистых грунтов, а также для любых грунтов, находящихся в мерзлом состоянии. Они проявляются также в скальных породах и песках при их определенном напряженном состоянии.

Анализируя кривые деформации во времени, можно выделить мгновенную деформацию и три стадии ползучести. В пределах первой стадии, называемой стадией затухающей ползучести, происходит постепенное уменьшение скорости развития деформаций во времени. В пределах второй стадии - установившейся ползучести - имеет место деформация пластического течения, при которой скорость практически постоянна. Установившаяся ползучесть возникает лишь при напряжениях, больших определенного предела. Как доказано, установившаяся ползучесть всегда переходит в третью стадию - прогрессирующего течения, при которой скорость развития деформаций во времени возрастает, что и ведет к разрушению образца.

Размещено на Allbest.ru

...