Шпори по Механіці грунтів

n1.doc (3 стор.)
Оригінал


  1   2   3
1.Фізіческіе властивості грунтів

Грунти складаються з твердих мінеральних часток («скелет» грунту), води і повітря і, таким чином, являють собою (при позитивній температурі) трифазну систему. Всі грунти різняться між собою багатьма ознаками. Для механіки грунтів найбільш важливими є їх фізичні та механічні властивості. Кількісні показники властивостей грунтів називають характеристиками. Основні з цих характеристик визначають дослідним шляхом в лабораторії або в польових умовах, решта обчислюють потім по знайденим основним характеристикам. Основними характеристиками фізичних властивостей грунтів служать: гранулометричний склад, питома вага грунту природної будови, питома вага часток грунту, вологість, межі розкочування і текучості.
Гранулометричний склад характеризує вміст за масою груп частинок (фракцій) грунту різної крупності по відношенню до загальної маси абсолютно сухого грунту. Залежно від вмісту в грунті часток різних розмірів визначають ступінь неоднорідності гранулометричного состава.Степень неоднорідності гранулометричного складу не може бути менше одиниці і практично не буває більше 200.
Питомою вагою грунту природної будови у називають відношення маси грунту, включаючи масу води в його порах, до займаного цим грунтом обсягом, включаючи пори, помножене на прискорення вільного падіння g, рівне 9,81 м/с2. Питомі ваги нескельних грунтів природної будови, що зустрічаються в будівельній практиці, мають значення від 15 до 22 кН/м3.Разние грунти мають питомі ваги частинок, що мало відрізняються між собою. Питомі ваги частинок пісків становлять від 26,5 до 26,8 кН/м3, супісків і суглинків - від 26,0 до 27,0 кН/м3 і глин - від 26,0 до 27,5 кН/м3.
Пластичність і консистенція глинистих грунтів.
Зміна вологості робить великий вплив на властивості глинистих грунтів, які при цьому можуть переходити з твердого стану в полутвердое, потім у пластичне і, нарешті, в плинне або навпаки. Якщо зразком маловлажних глинистого грунту спробувати шляхом розкочування надати форму дроту, то він буде кришитися Основними фізико-механічними властивостями грунтів є:
1. Гранулометричний склад, тобто процентний вміст за вагою частинок різної крупності: гальки (40 мм), гравію (2-40 мм), піску (0,25-2 мм), піщаного пилу (0,05 - 0,25 мм ), пилуватих часток (0,005-0,05 мм) і глинистих часток (менше 0,005 мм).
2. Питома вага, тобто відношення ваги грунту до його об'єму при природній вологості. Для грунтів він складає від 15 до 20 кн/м3 (1,5-2 г /, і3).
3. Пориста ь - обсяг пір, заповнених водою і повітрям у відсотках від загального об'єму грунту. Вона характеризується коефіцієнтом пористості, що є відношенням обсягу зайнятих водою і повітрям пір до обсягу твердих частинок.
4. Вагова вологість - відношення ваги води до ваги сухого грунту в%.
5. Зв'язність (взаємне зчеплення частинок) - здатність грунту чинити опір поділу на окремі частки під дією зовнішніх навантажень. Типовим представником зв'язкових грунтів є глину, незв'язних грунтів - сухі піски.
6. Пластичність - властивість грунту змінювати свою форму під дією зовнішніх сил і зберігати цю форму після видалення зовнішніх сил. Найбільшою пластичністю відрізняються вологі глини; пісок і промитий гравій - матеріали непластичні.
7. Міцність. У зв'язку з тим, що грунти, не вельми зв'язкові, мають незначну міцність, не вдається пользойваться такими характеристиками, як міцність на одноосьовий.
8. Опір зсуву. Під дією механічного навантаження грунт руйнується в результаті деформацій, переважаючих граничні значення. Вважається, що ці деформації відбуваються по площинах ковзання (площинах, по яких відбувається зрушення одних частинок щодо інших). При руйнуванні грунту частинки чинять опір щодо відповідності-ному зрушенню. Це опір характеризується величиною, зчеплення. Опір зсуву по площині ковзання збіль-личивается в результаті внутрішнього тертя частинок, возникаю ного під дією нормальних напружень. Якщо виділити умовно зрушувати частинку грунту, то напруги, діючі в площині ковзання частинки, можуть бути спрощено представлені так, як показано на рис. 49.



Рис. 48. Межа міцності на одновісний стиск мерзлих грунтів у залежності від температури і вологості ш в:



Рис. 49. Умови рівноваги частинки грунту на укосі

9. Кут природного укосу ф - кут біля основи конуса, який утворюється при відсипанні розпушеного грунту з деякої висоти. Цей кут залежить від величини коефіцієнта внутрішнього тертя і від зв'язності. Для незв'язних грунтів кут природного укосу дорівнює куту внутрішнього тертя. Величини кутів природного укосу наводяться в табл. 8.

10. Сопротивл єни е грунту вдавленню. При вдавливании в грунт штампа або який-небудь опорної поверхні (ходової частини машини, елемента робочого органу) під штампом відбуваються деформації в умовах, близьких до всебічного стиску (тобто коли на елемент грунту діють одночасно навколишній масив і поверхню штампа так, що елемент виявляється стиснутим з усіх сторін). Чим ближче до поверхні грунту розташований елемент, тим менше вплив всебічного стиснення. Вдавлювання на невелику глибину (до 1 см) називають зминанням. При цьому зусилля, необхідне для вдавлення штампа, у багато разів менше, ніж при вдавлення штампа на значну глибину. Зокрема, допустимі навантаження для ходових частин "машин передбачають занурення до 6-12 см. Величина зусилля, необхідного для вдавлення штампа, залежить від розмірів штампу. Чим менше він, тим більше має бути питоме зусилля при вдавливании.

11. Абразивність (від латинського слова abrasio - зскрібати) - здатність матеріалу чинити истирающихся дію на інший матеріал. Абразивність грунтів з гірських порід в значній мірі визначає знос робочих органів землерийних машин. Є різні методи оцінки аб-разівності, проте всі вони поки ще є відносними, оскільки знос залежить від питомих тисків, швидкості взаємного переміщення і міцних показників. При одних і тих же міцнісних показниках величина зносу може бути різною.

Коефіцієнт тертя грунту про сталь залежить від стану поверхні сталі і фізико-механічних властивостей грунту.

12. Разрихляємость визначається як відношення обсягу розпушеного грунту Vp до обсягу V первісного (у щільному тілі).

Первісне розпушення - це розпушення, спостережуване відразу після відділення грунту від масиву; залишкове розпушення спостерігається через деякий час після укладання грунту у відвал або насип, де відбувається його самоущільнення без трамбування.

Копання та різання грунтів

Копання - сукупність процесів відділення грунту від масиву, що включають різання грунту, переміщення його по робочому органу і попереду останнього, а в окремих випадках і переміщення всередині робочого органу (зокрема, в ковшах екскаваторів).

Різання - процес відділення грунту від масиву за допомогою ріжучої частини робочого органу, зазвичай має вигляд клина.

Одне з них - рух, при якому відділяється стружка1, інше (воно може бути названо рухом подачі) - при якому змінюється товщина стружки.

Швидкість руху подачі зазвичай у кілька разів менше швидкості головного руху. Співвідношення швидкостей цих рухів певною мірою визначає траєкторію робочого органу.



Рис. 50. Геометрія робочого органу

У землерийно-транспортних машинах ріжучий орган (ніж) попередньо впроваджується в грунт до певної глибини, а потім, рухаючись у потрібному напрямку, зрізає стружку заданої товщини.

Як правило, впровадження в грунт відбувається в результаті одночасного переміщення ножа вглиб і вперед.

Механіку відділення грунту від масиву в процесі різання можна представити так.

Терміном «стружка» користуються при обробці металів, він не завжди відображає фізичну сутність процесів, що відбуваються при різанні грунтів, однак зручний при розрахунках сил опору грунту різанню і копанню, наповнення ковша і продуктивності землерийних машин. Тому застосовується умовно.

Зазначений спосіб моделювання процесу різання був вперше запропонований М. І. Гальперіним та В. Д. Абезгауз.

У передній грані формується ущільнене ядро ​​(рис. 52), яке, рухаючись перед ріжучої частиною робочого органу, впроваджується в масив і відокремлює стружку. Розміри ядра в процесі різання безперервно змінюються, а саме ядро ​​періодично оновлюється.

При кутах різання, менших 30 °, у більшості грунтів ядро ​​не утворюється. У цьому випадку стружка відділяється під впливом передній грані робочого органу.



Рис. 51. Впровадження штампа в однієї відкритої стінки

Грунт відділяється від масиву в результаті зсуву або відриву. Характер цього відділення залежить від фізико-механічних властивостей грунту, геометрії робочого органу і режимів роботи.

Визначення окремих параметрів процесу різання і копання грунту, зусиль, найвигідніших режимів, геометрії робочого органу через складність процесу і одночасного впливу багатьох чинників поки ще не отримало аналітичного рішення. В основному зусилля і режими підбираються на основі експериментальних даних.



Рис. 53. Питомий опір різанню при розробці

До певних значень з в міру його збільшення другий чинник надає більший вплив і, отже, величина kp зменшується. Після збільшення з понад визначені значень більший вплив робить всебічне стиснення і опір kp збільшується. Це продовжується, поки значення з не досягне величини сі після чого значення kp стабілізуються.

Із збільшенням Ь величина kv зменшується і після певних значень Ь вона також стабілізується.

При напіввільних і вільному різанні питомий опір зі збільшенням с при постійному b зменшується і після певних значень з теж стабілізується.

Величина kp в значній мірі залежить від фізико-механічних властивостей грунту і більшою мірою від його міцності на одновісний стиск. Остання залежить від вологості, об'ємної ваги, пластичності, зв'язності грунту та інших параметрів. Так як міцність на одноосьовий стиск багатьох талих грунтів мала і важко піддається виміру, а для деяких грунтів, наприклад для пісків, її взагалі не можна виміряти, то трудність розробки характеризують категорією грунту.



Рис. 54. Ударник конструкції Дорна

Під дією удару стрижень впроваджується в грунт. Залежно від фізико-механічних властивостей грунту для впровадження стрижня на глибину 0,1 м потрібно різне число ударів: наприклад, в просіяний пісок вологістю 9,2 потрібно всього один удар, а в легкий суглинок вл а лінощами 10,6% - 12 ударів . Величина kp залежить також від геометрії ріжучої частини робочого органу. Досліди показують, що для більшості грунтів оптимальне значення кута різання б повинно бути 20-30 °. При менших кутах б лезо виходить дуже тонким. Із збільшенням цього кута питомий опір різанню зростає. Задній кут а повинен бути не менше 7 °, особливо для екскаваторів і бурильних машин, при роботі яких в результаті складного переміщення робочого органу кут а фактично зменшується. При а = 7-М0 ° не завжди можна досягти, щоб кут різання становив 20-30 °, так як в цьому випадку кут загострення р не перевищує 25 °, а при такій величині кута загострення міцність ріжучої частини робочого органу недостатня. Тому кут р роблять більше 25 °, тоді при а - 7-10 ° кут різання виходить дуже часто більше 20-30 °.

Зі збільшенням кута б на кожні 10 ° питомий опір різанню зростає приблизно на 10-12%. Тому, якщо міцність ріжучої частини достатня, то слід працювати на кутах, близьких до оптимальних значень.

2. Сила опору впровадженню ріжучого леза робочого органу в грунт Р п (в напрямку, нормальному до траєкторії), тобто сила подачі.

Як правило, ріжуча частина робочого органу швидко затупляется і на ній утворюється так звана майданчик затуплення. Профілі майданчики затуплення може збігатися або не збігатися з траєкторією руху ріжучого леза. На форму профілю впливають фізико-механічні властивості грунту та режими роботи.



Рис. 55. Види затупленія ріжучого леза

На рис. 55 показаний різний характер затуплення ріжучого леза і виникаючі при цьому сили.

Якщо траєкторія руху збігається з профілем майданчики затуплення і радіус заокруглення незначний, то можна вважати, що опір Рп виникає тільки при віджиманні робочого органу від поверхні грунту (мал. 55.а) в результаті пружного післядії.

Якщо траєкторія руху збігається з профілем майданчики затуплення і при цьому на ріжучої кромці утворився радіус заокруглення, що визначає майданчик затуплення, то з'являються додаткові сили, шкребки робочий орган в процесі різання.

Якщо профіль траєкторії не співпадає з профілем майданчики затуплення, то виступаюча за траєкторію частина (мал. 55, в) впроваджується в грунт. Сила Р "при цьому визначається опором впровадженню виступаючої частини в грунт.



Рис. 56. Зміна зусиль при вдавливании плоского штампа в мерзлий пісок в умовах всебічного стиснення

.

Класифікаційні показники грунтів.
Основні фізичні показники, що характеризують склад і стан грунтів. Гранулометричний склад, щільність грунтів, питома вага, вологість, пористість. Пластичність глинистих грунтів, межі текучості і розкочування, показники плинності. Методи визначення фізичних характеристик працівників


2. Структурно-нестійкі грунти, їх особливості як підстави для будівництва.

Структурно-нестійкими називають такі грунти, які мають здатність змінювати свої структурні властивості під впливом зовнішніх впливів з розвитком значних осад, що протікають, як правило, з великою швидкістю. До основних впливів відносяться зволоження грунтів, промерзання і відтавання, суфозія і вивітрювання, зовнішні навантаження, перемятих грунтів та ін

Таку назву вони отримали тому, що за певних умов їх природна структура порівняно різко порушується. До структурно-нестійким відносяться наступні грунти:

- лесові, структура яких порушується при замочуванні їх під навантаженням;

- набухають, які при зволоженні здатні істотно збільшуватися в обсязі навіть під навантаженням;

- засолені, піщано-глинисті відкладення, в яких накопичення солей сталося в процесі їх формування

сільносжімаемие грунти, деформаційні і міцнісні властивості яких різко змінюються при порушенні їх природної структури;

- торфи і заторфованние грунти, що володіють дуже великою стискальністю і малою міцністю;

- мерзлі і вічній, структура яких порушується при відтаванні.

Лесові просадочні грунти широко поширені в Середньому та Нижньому Поволжі, Західного Сибіру, ​​на Північному Кавказі і в інших районах країни.

Залежно від зволоження лесси різним чином поводяться під дією зовнішнього навантаження. Так, в «сухому» стані (?? 0,09) лесси відрізняються значною міцністю і відносно високою несучою здатністю. У такому стані вони витримують тиск на грунт Р? 0,4 МПа при невеликих опадах і здатні зберігати досить велику висоту вертикального укосу.

Просадні грунти характеризуються:

відносної просадністю? sl - відносним стисненням грунтів при заданому тиску після їх замочування (див. п. 4.10);

початковим просадними тиском Psl - мінімальним тиском, при якому проявляються просадочні властивості грунтів при їх повному водонасиченні;

початковій просадної вологістю? sl - мінімальної вологістю, при якій виявляються просадочні властивості грунтів.

Відносне просідання грунту визначається в компресійних приладах за методом однієї або двох кривих (ГОСТ 23161-78).
За методом однієї кривої (рис. 5.18, а, б) відчувають пробу грунту природної вологості при заданому тиску. Після стабілізації опади грунт насичують водою, заміряючи просідання, і випробування продовжують вже для водонасиченого грунту.

За методом двох кривих (див. рис. 5.18, в) компресійним випробуванням піддають дві проби грунту: одну - за природної вологості, другу - при повному водонасиченні, після чого будують графіки залежності е, Δh = ѓ (P). На кривих (див. рис. 5.18, а) розрізняють три області деформування просадних грунтів: область ab, відповідну стисненню грунту в непорушеному стані; область bc, що характеризує просідання грунтів, і область cd - ущільнення грунту з непошкодженими структурними зв'язками. По кривих e,? H = ѓ (P) просадних грунтів безпосередньо визначають значення зміни коефіцієнта пористості грунту при осіданні Δ? Sl а також відносну просадочність? Sl, за формулою (4.5).



Рис. 5.18. Компресійні криві просадного грунту: а, б - за методом однієї кривої, відповідно, пилувато-глинистих при замочуванні і пухких піщаних при вібрації; в - за методом двох кривих; 1 - для грунту природної вологості; 2 - для грунту, насиченого водою

Згідно СНіП 2.02.01-83 * розрахунковим станом просадних грунтів по вологості є повне водонасичення Sr> 0,8.

Відносне просідання грунту при його неповному водонасиченні (? Sl???? Sat) визначається за формулою

(5.34)

де? sl - відносна просідання при повному водонасиченні

Початковий просадний тиск Psl - це тиск, при якому відносне просідання esl = 0,01, тобто при якому грунт вважається просадними. Якщо провести серію компресійних випробувань лесового грунту із замочуванням зразків при різних навантаженнях, то неважко отримати графік залежності відносної просадності від тиску (рис. 5.19).



Рис. 5.19. Залежність відносної просадності від нормального тиску лесового суглинку Георгієвська (1) і Ростова-на-Дону (2) (за Я.Д. Гільманом, 1991):? - Метод однієї кривої; х - метод двох кривих

За початкову просадними вологість? Sl за аналогією приймається вологість, при якій в умовах заданих тисків esl = 0,01.
Її значення залежать від напруженого стану грунту, природного щільності і міцності структурних зв'язків. Зі збільшенням тиску на грунт початкова просадними вологість зменшується.

Значення модуля загальної деформації лесового грунту змінюються в широкому інтервалі. Це обумовлено тим, що вони істотно залежать від вихідної вологості і пористості грунту. В якості прикладу в табл. 5.6 наведені систематизовані значення модуля деформації лесових суглинків Ростовської області. Даними табл. 5.6 можна скористатися в тому разі, коли відсутні результати штампових випробувань грунту з урахуванням прогнозованої його вологості.

Таблиця 5.6. Значення модуля деформації лесовидних суглинків в діапазоні нормативних тисків 0,1-0,3 МПа (по Я.Д. Гільманом, 1991)

Ступінь
вологості Sr

Модуль деформації Е, МПа, при коефіцієнті пористості е, рівному

0,56-0,65

0,66-0,75

0,76-0,85

0,86-0,95

0,96-1,05

0,3

50

44

38

30

22

0,4

35

30

25

20

14

0,5

25

21

17

13

8

0,6

18

15

12

9

6

0,7

14

12

9

7

5

0,8

12

10

7

6

4

0,9

10

8

6

5

3

1,0

8

7

5

4

2

Просадка як деформація залежить (рис. 5.20) від мінералогічного і гранулометричного складів грунту, його вологості, щільності і напруженого стану, тому для кожного лесового грунту визначають просідання при тисках, які він випробовуватиме в підставі під спорудою.



Рис. 5.20. Графік залежності відносної просадності від Ip, е і Sr: а - від числа пластичності, б - від коефіцієнта пористості; в - від ступеня вологості

Набухають грунти мають широке поширення. Такі грунти поширені в Єгипті, Бірмі, США, ПАР, а в Індії більше 30% території займають так звані бавовняні грунти. У країнах СНД такі групи зустрічаються в Казахстані, Грузії, Азербайджані, Україні, Росії (Поволжя, Північний Кавказ та інших районах).
Характерною особливістю набухають грунтів є різке зниження їх несучої здатності при замочуванні.

Набухаючі глинисті грунти характеризуються такими параметрами:

тиском набухання Ps?;

вологістю набухання? s?;

відносним набуханням при заданому тиску? s?;

відносної усадкою при висиханні? sh.

Ці характеристики визначаються в лабораторних умовах згідно ГОСТ 24143-80.

Тиском набухання Ps? грунту називають те мінімальний тиск, при якому грунт набухає.

Тиск набухання розвивається в глинистому грунті як реакція зовнішньої навантаженні, переданої на грунт від споруди або витравлюють товщі грунту. Це тиск може досягти 0,8 МПа і виникає в підставі гідротехнічних споруд після пуску в них води, що призводить до деформацій цих споруд, внаслідок нерівномірного підняття фундаменту на різних дільницях.

За вологість набухання? S? приймається вологість, отримана після завершення набухання зразка, обжатого без можливості бокового розширення заданим тиском Р. Із збільшенням щільності грунту вологість набухання зменшується.

Набухаемость грунтів оцінюють коефіцієнтом відносного набухання? S?, Який знаходять випробуванням грунту в одометрі, і навантажують тиском, яке очікується на даній глибині з урахуванням тиску від споруджуваного споруди. Потім у одометр подають воду. В результаті чого відбувається набухання зразка грунту, тобто поршень одометра буде переміщатися вгору. За даними випробування можна побудувати криву (рис. 5.21, а).



Рис. 5.21. Залежності деформацій набухає грунту (а) і відносного набухання (б) від нормального тиску

При екрануванні поверхні і зміні водно-теплового режиму відносне набухання знаходять за формулою

(5.35)

де k - коефіцієнт, що визначається дослідним шляхом, а за відсутності експериментальних даних приймається рівним 2;
? Eg - кінцева (стабільна) вологість грунту;
? 0 - початкова вологість грунту;
? 0 - початкове значення коефіцієнта пористості грунту.

Значеннявідносного набухання залежать від щільності і початкової вологості грунту. Із збільшенням початкової вологості зразка грунту набухання знижується тим швидше, чим більше? О.

Зниження міцності при набуханні відбувається у всіх набухають грунтів. Після набухання грунту модуль деформації зменшується в кілька разів, що наочно видно з табл. 5.7. Також видно, що модуль деформації набухаючих глин, визначений у лабораторних умовах, значно нижче, ніж визначений при польових випробуваннях.

Таблиця 5.7. Значення модуля деформації набухаючих глин до і після замочування (за Е.А. Сорочану, 1989)

Глини

Значення модуля деформації, МПа

Ставлення значень модуля деформації,
певного польовим методом,
до лабораторних Eлаб / Епол

Лабораторні
Елаб

Польові
Епол

Сарматські (Керч):
до замочування
після замочування


11,0
3,0


25-30
9-10


2,3-2,7
3,0-3,3

Кіммерійські (Керч):
до замочування
після замочування


8,0
2,7

21
7-11


2,6
2,6-4,1

Хвалинське (Волгоград)
до замочування
після замочування


8,0
2,0


16-20
3,6


2,0-2,5
1,8

Так, для глини природної вологості модуль деформації по польових даними більше, ніж за лабораторними, в 2,3-2,7 рази, а для зволоженою - в 3,0-3,3 рази.

Засолені грунти широко распросфанени в Прикаспійської низовини, Центральному Поволжі, Західного і Східного Сибіру. До засоленим грунтів відносяться піщано-глинисті відкладення, в яких накопичення солей сталося в процесі їх формування. При оцінці грунтів важливо знати вміст у них водорозчинних солей.

Відповідно до класифікації В.П. Петрухіна (1989) до засолених відносяться грунти, мінімальний вміст в яких водорозчинних (легко-і среднерастворімих) солей від маси абсолютно сухого грунту, становить:

Крупноуламкові з вмістом піщаного заповнювача <40% або глинистого <30%

2%

Те ж, але при вмісті піщаного заповнювача> 40%

0,5%

Піщані

0,5% і більше

Супіски і суглинки

5% і більше

Глини

10%

При замочуванні засолених грунтів спостерігаються:

поява суфозійної опади при тривалій фильтраци;

набухання або просідання грунту;

зниження міцності грунту;

підвищення агресивності підземних вод.

До легкорозчинним солям відносяться: хлориди - NCI, СаСl2; сульфати - Na2SO4 і карбонати натрію - NaHCO3 і Na2CO3; до среднерастворімим - гіпс CaSO4 · 2H2O і ангідрид CaSO4. Карбонати розчиняються важко і повільно, тому особливого впливу на властивості грунтів не роблять, проте вони можуть сприяти створенню горизонтів агресивних вод, які руйнівно впливають на підземні конструкції будівель і споруд.

Причинами, що приводять до засолення грунтів, є:

безстічний рельєф;

недостатнє зволоження в результаті переважання випаровування над опадами;

наявність в грунтах або грунтових водах підвищеної кількості солей;

мала проникність грунтів або наявність водотривких прошарків;

недосконалість систем зрошення;

техногенний вплив на гідросферу забудованих або забудовуються територій;

фільтрація через грунти розчинів хімічних речовин виробничих відходів з накопичувачів, шламонакопичувачів, відвалів.

Засолені глинисті грунти характеризуються відносним суфозійний стисненням? Sѓ і початковим тиском суфозійного стиснення Psѓ.

Величина відносного суфозійного стиснення повинна визначатися, як правило, за даними випробувань засолених фунтів з тривалим замочуванням.

Значення? Sѓ при компресійно-фільтраційних випробуваннях визначається за формулою

(5.36)

де hsat, p - висота зразка після замочування його до повного водонасище-ня при деякому тиску Р;
hsѓ, p - висота того ж зразка після тривалої фільтрації води і вилуговування солей при тиску Р;
hg - висота зразка природної вологості при тиску від власного веса.фунта на розглянутій глибині? zg.

При польових випробуваннях засолених грунтів статичним навантаженням з тривалим замочуванням значення? Sѓ визначається за формулою

(5.37)

де Ssѓ, p - суфозійний осаду штампа при тиску Р;
dp - зона суфозійної опади.

За початковий тиск суфозійного стиснення Рsѓ приймається тиск, При якому? Sѓ = 0,01.

Маловологі і сухі грунти при зволоженні різко змінюють свої деформаційні, міцнісні і фільтраційні властивості через винесення солей. Як приклад на рис. 5.22 показано вплив зміни вологості засолених грунтів і вилуговування солей на модуль деформації.



Рис. 5.22. Залежність модуля загальної деформації засолених глинистих грунтів від вологості (а) і вилуговування солей (б)

Як видно з рис. 5.22, представлені грунти при природної вологості (? = 0,08) і природному вмісті солей (d0 = 5,7%) мають високий модуль деформації. При збільшенні вологості (див. рис. 5.22, а) або вилуговуванні солей (див. рис. 5.22,6) зниження модуля деформації становить 4-10 разів і більше (по сб Ухову та ін, 1994).

Вилуговування водорозчинних сполук призводить до зменшення щільності і стійкості грунтів, а також до збільшення їх водопроникності. Фільтруюча через грунт вода стає агресивною по відношенню до бетону, розчину та металу.

Торфи і заторфованние грунти являють собою грунти органогенного походження, що утворилися в болотах в результаті накопичення і розкладання рослинних залишків в умовах утрудненого доступу повітря.

Специфічними особливостями заторфованних грунтів є во-донасищенность, велика стисливість, повільне протікання осад у часі, анізотропія і мінливість характеристик під навантаженням.

До заторфований відносяться піщані і глинисті грунти, що містять у своєму складі 10-50% (за масою) органічних речовин. При вмісті органічних речовин 50% і більше грунт називається торфом.

Оскільки біогенні слабкі грунти (сапропелі, заторфованние і торф'яні) містять значну кількість органічної речовини J,% (або Jот, частках одиниці), то їх розділяють за цією складовою (рис. 5.23). Як видно з рис. 5.23, вплив вмісту органічних речовин у грунті на зміну вологості істотно для нормальнозольних торфів.



Рис 5.23. Залежність природної вологості від вмісту органічних речовин в слабких грунтах (за Л.С. Амаряну, 1990)

Так як сапропелі (прісноводний мул) за змістом органічних речовин захоплюють області як торф'яних (J? 50%), так і заторфованних грунтів (J <50%), то їх підрозділяють на мінеральний - 10 <J? 30%, среднемінеральний - 30 < J? 50% і Слабомінеральні - J> 50%. Сапропелі, як правило, мають коефіцієнт пористості більше 3, а показник плинності більше 1.

Різниця у структурі та дисперсності твердої фази слабких грунтів не дозволяє за величиною J оцінити однозначно мінливість їх міцних показників.
На рис. 5.24 показані зміни граничного опору зсуву т, певні крильчаткою в польових умовах, в залежності від J (по Л.С. Амаряну, 1990). Як видно з рис. 5.24, при однакових значеннях міцність сапропелів і торфів за величиною тотлічается в 4-5 разів. Дані рис. 5.24 дозволяють встановити класифікаційні відмінності між торф'яними, заторфованнимі грунтами і сапропелями.



Рис. 5.24. Залежність опору зрушенню слабких органо фунтів від вмісту органічних речовин

Ці грунти мають низьку міцність. Так, у сапропелів кут внутрішнього тертя? близький до нуля, а питоме зчеплення С залежно від ступеня ущільненості і мінералізації знаходиться в межах 0-20 кПа. У похованих торфів залежно від ступеня розкладання ці характеристики становлять:? = 10-22 °; С = 10-30 кПа (по сб Ухову та ін, 1994).

Мерзла і вічній грунти в залежності від їх температури і тривалості її дії ділять на немерзлі (талі), мерзлі і вічно-мерзлі.

Мерзлими називаються грунти з негативною температурою, в яких частина парової води знаходиться в замерзлому стані (у вигляді кристалів льоду). Мерзлі грунти є четирьохкомпонентного системами, в яких крім твердої, рідкої і газоподібної фаз існує лід.

Якщо немінералізованние вода замерзає при 0 ° С, то грунт при такій температурі замерзає тільки при наявності в них вільної немінералізованние води, оскільки зв'язана вода у вигляді тонких плівок і мінералізована вода замерзає при більш низькій температурі.

Вічномерзлими називають грунти, що знаходяться в мерзлому стані протягом трьох років і більше. Вічній грунти являють собою яскраво виражені структурно-нестійкі грунти, оскільки при їх відтаванні відбуваються просадки в результаті порушення природної структури.

При промерзанні відталого грунту можливо його пучение.

Поверхневий шар грунту, промерзає взимку і відтаює влітку, називають діяльним шаром, або шаром сезонного промерзання і відтавання, оскільки в ньому відбуваються інтенсивні процеси, пов'язані з промерзанням і відтаванням грунту.

Якщо спостерігати за зразком глинистого грунту (за Б.І. Далматова, 1988), поміщеного в морозильну камеру, то при зміні температури отримана крива матиме чотири ділянки (рис. 5.25).

Перша ділянка аb відповідає зниженню температури з переохолодженням парової води. Друга ділянка bc характеризує різке підвищення температури грунту, що пов'язано з кристалізацією частини води у зразку грунту до значення Тbѓ, відповідного початку замерзання. Третя ділянка cd, паралельний осі часу t, характеризує різкий перехід більшої частини води в лід. На четвертому ділянці de відбувається поступове зниження температури вже замерзлого фунта, т.е в цей період замерзає вода, яка не замерзла при значенні Тbѓ.

Залежно від речового складу і температурно-вологісний умов мерзлі фунти діляться на твердомерзлих, пластічномерзлие і сипучемерзлие.



Рис. 5.25. Графік процесу замерзання фунта в часі (за Б.І. Далматова, 1988)

До твердомерзлих відносять грунти, що характеризуються відносно крихким руйнуванням та практичної нестислива під навантаженням. Під дією навантажень від споруд такі фунти практично не стискуються (модуль деформації Е> 100 МПа), так як зцементувати льодом.

До твердомерзлих відносяться великоуламкові грунти з сумарною вологістю? Tot> 0,03, а також піщані і глинисті, якщо їх температура нижче значень, наведених у табл. 5.8, при яких грунт переходить з пластичного в твердомерзлих стан.

Таблиця 5.8. Температура переходу грунту з пластичного в твердомерзлих стан

Найменування грунту

Температура,
T ° С

Великоуламковий

0

Пісок:
крупний і середній великій
невеликий і нилеватий


0,1
0,3

Супісок

0,6

Суглинок

1,0

Глина

1,5


Пластічномерзлимі є грунти, зцементовані льодом, але мають в'язкі властивості і характеризуються стискальністю під навантаженням. До них відносяться піщані і пилувато-глинисті грунти з температурою, вищевказаної в табл. 5.8. Вони характеризуються достатньою стискальністю (Е <100 МПа) і в'язкими властивостями.

Сипучемерзлие - це крупноуламкові, гравелисті і піщані грунти, мають негативну температуру, але не зцементовані льодом внаслідок малої їх вологості. Сумарна вологість таких грунтів? Tot? 0,03. Їх властивості практично не змінюються під впливом температури і близькі до властивостей тих же грунтів у немерзлому стані.

У зв'язку з тим, що мерзлі грунти складаються з твердої мінеральної частини, пір, льоду і незамерзаючої води, то додатково до характеристик талих грунтів для мерзлих визначаються:

сумарна вологість мерзлого грунту? tot, яка складається з вологості, зумовленої включеннями льоду? i, і вологості між включеннями льоду? m. Сумарну вологість виражають у частках одиниці і визначають відношенням маси всіх видів містяться в ньому води і льоду (у прошарках і порах) до маси скелета грунту.
Сумарна вологість визначається за формулою:
? Tot =? I +? M (5.38)

льодистість мерзлого грунту Ii-це відношення містяться в ньому обсягу льоду до обсягу мерзлого грунту (з включенням льоду) і визначається за формулою:

(5.39)

де? i-щільність льоду, приймається рівною 0,9 г/см3.

Н.А. Цитовіч (1973) мерзлі грунти за льдістості поділяє на три категорії: сільнольдістие, слабольдістие і льодисті.

До сільнольдістим (льодистість більше 50%) відносяться суглинки і глини, що переходять при відтаванні у плинне, текучепластічной або м'яко-пластичне стан. Сільнольдістие грунти володіють малою несучою здатністю в підталому стані і великий стискальністю.

Слабольдістие (льодистістю менше 25%) суглинки і глини набувають зазвичай тугопластичної або напівтверду консистенцію і володіють малою стискальністю.

Льодисті (льодистість 25-50%) грунти мають властивості проміжні між двома вище наведеними категоріями.
Кількість незамерзаючих води в мерзлих грунтах??, Якщо відсутні досвідчені дані, допускається орієнтовно визначати за формулою СниП:

(5.40)

де до? - Коефіцієнт, що залежить від числа пластичності Jp і температури грунту (табл. 5.9);
? Р - вологість грунту на межі розкочування.

Таблиця 5.9. Значення коефіцієнта k?

Грунти

Число пластичності Jp

Температура грунту, ° С

-0,3

-0,5

-1

-3

-5

-10

Піски і супіски

Jp? 0,02

0

0

0

0

0

0

Супіски

0,02

0,6

0,50

0,40

0,33

0,28

0,25

Суглинки

0,07

0,7

0,65

0,60

0,48

0,43

0,40

Суглинки

0,13

*

0,75

0,65

0,53

0,48

0,45

Глини

Jp> 0,17

*

0,95

0,90

0,63

0,58

0,55

* Примітка. Вся вода в порах грунту не замерзає.

Мерзлі грунти, як і глини, характеризуються не тільки речовим складом, а й певною будовою, тобто розміром, формою, характером просторового взаєморозташування складових частин. Для мерзлих грунтів розрізняють такі основні текстури: слитную, шарувату і пористу.

Злита (масивна) текстура (рис. 5.26, а) характеризується відсутністю видимих ​​неозброєним оком крижаних тіл (лінз, прошарків і т.д.) в грунті. Грунти злитої текстури в мерзлому стані мають, як правило, високою міцністю, а при відтаванні їх властивості міцності знижуються в меншій мірі, ніж у грунтів з шаруватою або комірчастої текстурами.



Рис. 5.26. Основні види текстури мерзлих грунтів: а - злита (масивна), б - шарувата; в - чарункова (сітчаста)

Шарувата текстура (див. рис. 5.26, б) виникає при односторонньому, повільному промерзанні переважно глинистих грунтів, що володіють високою вологістю. Грунти з шаруватою текстурою мають досить високою міцністю, але при відтаванні їх міцнісні показники різко падають.

Чарункова (сітчаста) текстура (рис. 5.26, в) виникає в тих випадках, коли крижані тіла різного розміру, форми і орієнтування утворюють більш-менш безперервну сітку або решітку.

З механічних властивостей мерзлих грунтів найбільше значення мають величина відносного стиснення? Th при переході мерзлого грунту в талое стан і опір стиску (? Сж).

Відносний стиск визначають шляхом випробування грунту у компресійному приладі і розглядають за формулою

(5.41)

де hѓ і hth - висота зразка, що знаходиться в мерзлому і талому станах при незмінному тиску.

При оцінці механічних властивостей розрахунковий опір стисненню (? Сж) засолених мерзлих грунтів приймають по табл. 5.10, а зчеплення (с) мерзлих грунтів непорушеною структури дано в табл. 5.11.

Таблиця 5.10. Розрахункові опори стиску засолених мерзлих грунтів? Сж> МПа

Грунт

Засоленість грунту J

Температура грунту, ° С

-1

-2

-3

-4

Пісок:
пилуватий

дрібний і середній


0,05
0,10
0,30
0,50
0,10
0,20
0,50
0,75


0,60
0,30
-
-
0,80
0,40
-
-


1,30
0,50
0,25
0,15
1,20
0,80
0,40
-


1,60
0,90
0,55
0,20
1,40
1,10
0,60
0,35


1,80
1,30
0,65
0,30
1,70
1,40
0,80
0,45

Супісок

0,20
0,50
0,75

0,50
-
-

0,75
0,40
-

1,30
0,70
0,20

1,5
0,9
0,3

Суглинок

0,50
0,20
1,00

0,45
0,25
0,15

0,65
0,35
0,22

1,20
0,65
0,30

1,20
0,95
0,50

Глина

0,25
0,50
1,00

0,45
0,25
0,15

0,65
0,35
0,22

1,10
0,65
0,30

1,20
0,95
0,50

Таблиця 5.11. Зчеплення мерзлих грунтів непорушеною структури при миттєвому см і тривалому сд дії навантаження, МПа

Грунт

Вологість,?

Температура грунту, - ° С

0,3-0,4

1,1-1,2

4,0-4,2

Величина зчеплення при

см

сд

см

сд

см

сд

Пісок

0,24

1,4

0,22

1,6

0,25

1,9

0,4

Пісок пилуватий

0,23

1,1

0,21

1,4

0,27

2

0,4

Супісок

0,28-0,34

0,40-0,45

0,09-0,10

0,73

0,16

0,8-1,15

0,28-0,32

Суглинок

0,36

0,43

0,06

0,7

0,1

1,2

-

Глина стрічкова щільна

0,30-0,40

0,57

0,18

-

0,26

0,16

0,42


Фундаменти на структурно-нестійких грунтах

При будівництві та експлуатації міських будівель і споруд на структурно-нестійких грунтах за певних інженерно-геологічних умовах зафіксовані численні випадки утворення різко виражених нерівномірних осад, які часто призводили до повного руйнування. До структурно-нестійких грунтів відносяться лесові грунти, грунти, що знаходяться в мерзла і вічній стані, пухкі піски, мули, чутливі пилеватоліністие грунти, а також пилувато-глинистого-ті набухають грунти.

Розвиток значних нерівномірних осад у структурно-нестійких грунтах відбувається через порушення їх природної структури, яке можливе в результаті механічних і фізичних впливів.

Механічні дії обумовлені додатком зовнішнього навантаження від фундаментів, а також різними динамічними явищами (вібрація, коливання тощо), що відбуваються в результаті руху транспорту, технологічних, виробничих та інших факторів. До механічних впливів найбільш чутливі незв'язні і слабозв'язаних грунтів, а саме, слабкі насичені водою пилувато-глинисті грунти, мули, заторфованние грунти, пухкі піски та ін

Фізичні впливу, при яких відбувається порушення структури грунтів, обумовлені додатковим зволоженням, яке може мати несприятливий вплив на лесові і набухають грунти; відтаюванням мерзлих і вічній грунтів, а також хімічної а механічною суфозія і вивітрюванням. Даний тип впливів призводить до збільшення деформативності внаслідок руйнування структурних зв'язків, викликаючи додаткові нерівномірні опади.

У структурно-нестійких грунтах при додатку зовнішнього навантаження руйнування структурних зв'язків відбувається швидше, ніж утворення нових, на відміну від структурно-стійких грунтів, в яких одночасно з частковим порушенням структури і ущільнення виникають нові зв'язки, збільшуючи тим самим їх міцність. Тому в структурно-нестійких грунтах процес руйнування структурних зв'язків відбувається лавиноподібно і призводить до розвитку просадки, не пов'язаної з процесом поступового ущільнення.

Зведення та експлуатація споруд на структурно-нестійких грунтах дуже скрутні, тому при проектуванні необхідно враховувати умови, за яких можливе порушення їх природної структури та розвиток просадки, і вживати заходів, спрямованих на усунення таких несприятливих явищ.

Слід зазначити, що підстави, складені структурно-нестійкими грунтами при навантаженнях, напруги від яких не перевищують структурної міцності, володіють в деяких випадках задовільними фізико-механічними характеристиками, які різко погіршуються при порушенні структури або перевищення напруженнями структурної міцності.

3. Напруга в грунтових масивах, закон ущільнення

Основи напруженого стану грунтів підстав

При визначенні напружень в підставах споруд масиву грунту зазвичай розглядають як півпростір 0? z <?, обмежене горизонтальною площиною z = 0. Грунт вважають перебувають у складному напружено-деформований стан і лінійно-деформованому, тому для нього справедливо основне положення закону Гука - лінійність зв'язку між напруженнями і деформаціями.

Однак при дії зовнішніх сил з тисками, що перевищують структурну міцність грунту, виникають не тільки пружні, але і значно більшої величини залишкові (пластичні) деформації.

Напруження в масивах грунтів виникають як під дією зовнішніх навантажень, так і від власної ваги грунту. Володіння напруг необхідно для розрахунків деформацій грунтів, обумовлюють опади і переміщення будівель і споруд для оцінки міцності, стійкості грунтів і тиску на огорожі.

Без урахування розподілу напружень в грунті неможливо, наприклад, розрахувати опади насипів, підвалин мостів, акведуків, лотків, фундаментів штучних та інших споруд.

Розподіл напружень в грунтовій товщі залежить від наступних факторів: характеру і режиму навантаження масиву, інженерно-геологічних і гідрогеологічних особливостей майданчика будівництва, складу і фізико-механічних властивостей грунтів.

Тиск від навантаження, прикладеної до поверхні грунтового масиву, передається в грунті частками або структурними агрегатами через точки контакту, розподіляючись у міру поглиблення в грунт на все більшу площу.

Щоб усвідомити характер розподілу напружень, зробивши припущення, уявімо собі грунт складається з однакових за формою і розмірами твердих частинок (спрощує модель), покладених рядами один на одному, як показано на рис. 6.1.



Рис. 6.1. Приклад моделі дискретної середовища з однакових куль: а - схема укладання; б - схема передачі (розподілу) зовнішньої зосередженої сили на частинки грунту

Як видно з рис. 6.1, на II ряд діє вага часток I ряду, а на III ряд - частинки I та II ряду і т.д. Згідно рис. 6.1, б, зовнішня зосереджена сила діє на одну частку I ряду, яка в свою чергу впливає на дві частинки П.

Таким чином, із збільшенням глибини кількість твердих частинок, на які передається тиск, збільшується і в свою чергу відбувається розсіювання напружень (див. рис. 6.1), тобто напруга від прикладеної зовнішньої сили розподіляється в масиві під деяким кутом.

При оцінці напружень, що діють в грунтах, реальні сили, прикладені до окремих грунтовим частинкам, замінюють уявними силами, розподіленими по всьому об'єму або перетину грунтового масиву.

Величину цих сил, віднесених до одиниці площі перетину масиву, і приймають умовно за величину напружень в грунті.

Формування напружень в грунтовій товщі відбувається не миттєво при додатку навантаження, а може розвиватися досить тривалий час. Це пов'язано зі швидкістю проектування деформацій і особливо сильно проявляється в глинистих грунтах, де процеси фільтраційної консолідації (консолідація - процес ущільнення грунту в міру видалення води з його пір) і повзучості розвиваються дуже повільно.

Вивчення напруженого стану грунту можна проводити за двома напрямками:

експериментальним шляхом, вимірюючи безпосередньо тиску в грунті за допомогою спеціального обладнання;

теоретичним шляхом, використовуючи методи теорії пружності, так як тут ми маємо справу з об'ємним напруженим станом грунтів.

Робота грунту основи істотно відрізняється від роботи матеріалу будівельної конструкції, споруд і т.д. Відмінності полягають у наступному:

грунти мають малу міцність і велику деформованість порівняно з матеріалами конструкцій; міцність їх в десятки і сотні разів більше в порівнянні з грунтом основи, а деформованість, навпаки, менше;

деформація грунту в часі при постійному навантаженні зростає (наприклад, для глинистих грунтів процеси консолідації та повзучості) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Деформація грунту в часі
Як було сказано вище, деформація глинистих грунтів може тривати роками і навіть десятки років;

неоднорідність грунтів та їх властивостей в основі фундаментів, а отже, міцності і деформованості (поняття анизотропность), тобто неоднакові властивості грунтів у різних напрямках;

неоднорідність напружень в грунтовій товщі в природних умовах і складність їх змін під дією зовнішнього навантаження;

відмінність закономірностей зміни напруженого стану грунтів, однорідних за складом, але при різній величині зовнішнього навантаження (графік Герсеванова).

Робота підстав споруд розглядається стосовно до плоскої, просторової, осесиметричною або контактної задачі в залежності від прийнятої розрахункової схеми.

За схемою плоскої задачі розраховуються стрічкові фундаменти, підстави підпірних стін, насипів, дамб, а також фундаменти плит водозливних гребель, шлюзів, сухих доків і т.д.

Таким чином, за цією схемою напруги розподіляються в одній площині, а в перпендикулярному напрямку вони будуть рівні нулю або постійні (рис. 6.3).



Рис. 6.3. Схема до плоскої задачі

За схемою осьової симетрії (рис. 6.4) розраховуються фундаменти водонапірних веж, доменних печей, фабричних труб, днища резервуарів, газгольдерів і т.д.



Рис. 6.4. Схема до осесиметричної задачі

За схемою просторової задачі розраховуються фундаменти під окремі колони і суцільні фундаментні плити під сітку колон.
Навчальний матеріал
© ukrdoc.com.ua
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації