Физические свойства грунтов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

Магнитогорский Государственный Технический

Университет им. Г.И. Носова

Кафедра строительных конструкций

В.М.Швецов

Механика грунтов

Пособие

по самостоятельному изучению курса

(для студентов всех форм обучения)

Магнитогорск 2010

Предисловие

Курс механики грунтов предусмотрен государственным образовательным стандартом подготовки специалистов в связи с необходимостью решения инженерных задач фундаментостроения. Из теории сооружений известно, что несущие конструкции каркасов имеют опоры, связанные с несжимаемым грунтом необходимым количеством жестких связей. В действительности грунты по разным причинам деформируются, и опирающиеся на них фундаменты, являющиеся опорами, получают перемещения. Влияние перемещений опор на состояние разных по сложности зданий велико. Большую важность, поэтому, имеет изучение причин возникновения деформаций грунтов и методов определения осадок фундаментов.

В общем случае деформации грунтов происходят: а) из-за изменений физического состояния грунтов; б) из-за уплотнения грунтов при действии нагрузок на фундаменты. Для оценки осадок фундаментов от действия нагрузок нужно знать теорию распределения напряжений в грунтовом массиве, способы определения характеристик сжимаемости грунтов, методы расчета осадок. Перемещения фундаментов возникают и в случае потери прочности грунтовых массивов. В такой логической последовательности названные темы изложены в курсе механики грунтов.

Механика грунтов тесно связана с инженерной геологией. Предметом её рассмотрения являлись происхождение, залегание, состав грунтов, способы их изучения. В строительстве грунтами принято считать почвы, горные породы, техногенные образования, представляющие собой сложную геологическую систему. В ней определяющее значение имеют не только разные по размерам, форме и минералогическому составу твердые частицы, сколько силы взаимодействия между ними и другими компонентами. Из-за сложности строения появилась задача выделения в грунтовом массиве однородных зон. Самой распространенной формой их залегания является слой. Им считается однородное грунтовое тело, ограниченное непересекающимися поверхностями, именуемыми кровлей и подошвой. Расстояние между ними представляет собой толщину слоя. По предложению Н. В. Коломенского слои называют инженерно-геологическими элементами (ИГЭ).

Однородность элемента или слоя следует считать статистическим понятием. Предполагается, что характеристики грунта в пределах слоя изменяются случайным образом и величина их изменения не должна выходить за установленные границы. Для статистической обработки нужно иметь достаточный объём экспериментальных данных на каждой площадке. Обычно инженерно-геологические элементы выделяют по результатам анализа физико-механических характеристик грунтов, в ходе которого определяют их нормативные и расчетные значения. Границы между ними проводят так же с учетом происхождения, разновидностей различного и состояния грунтов внутри комплекса. Расчлененный на слои или ИГЭ грунтовый массив понимать как своего рода геологическую гипотезу.

На практике строители не проводят испытаний грунтов. Но методы испытаний, чтобы иметь представление о достоверности получаемых показателей ИГЭ, знать нужно. Для знакомства с ними в приложении приведены нужные разделы ряда стандартов.

В процессе самостоятельной работы следует изучать предусмотренные программой темы по конспекту лекций, учебнику [1], или любому источнику в списке литературы, и решить предлагаемые задачи. Исходными данными являются схема залегания ИГЭ, расчетные значения физико-механических показателей, найденные по результатам испытаний. Для организации и облегчения работы составлены указания и приведены теоретические пояснения, сопровождающиеся примерами решений, в тексте приведены многие справочные материалы. Результаты самостоятельной работы оформляются в форме пояснительной записки.

Программа курса механики грунтов

Введение

Возникновение и развитие механики грунтов исходя из потребностей строительства. Задачи механики грунтов, связь курса с инженерной геологией, сопротивлением материалов, теоретической и строительной механикой и другими строительными дисциплинами.

1. Физические свойства грунтов

Классификация грунтов в строительстве: природные скальные, природные дисперсные, техногенные и мерзлые грунты, их свойства и показатели физического состояния. Сезонное промерзание и пучение дисперсных грунтов. Просадка и набухание грунтов при замачивании.

2. Напряжения в грунтах от внешних сил и собственного веса

Общие сведения о распределении напряжений в грунтах способах их определения. Определение напряжений в грунтах от сосредоточенной силы, основные предпосылки и допущения. Нахождение напряжений в грунтах от равномерно-распределенной нагрузки. Определение напряжений в грунтах методом угловых точек. Напряжения в грунтовом массиве от собственного веса грунтов.

3.Деформационные свойства грунтов

Показатели деформативности грунтов и методы их определения. Определение показателей деформативности по результатам лабораторных испытаний образцов. Особенности деформирования водонасыщенных связных грунтов, понятие о эффективных и нейтральных давлениях. Полевые испытания грунтов штампами и статическим зондированием. Косвенные методы определения деформационных характеристик.

4. Расчет осадок фундаментов

Основы методов определения осадок фундаментов. Метод послойного суммирования, его достоверность. Определение осадок соседних фундаментов. Расчет осадок по схеме линейно-деформируемого слоя.

5.Теория прочности грунтов и её практическое использование

Представление о нарушении прочности грунтов. Изучение сопротивления грунтов сдвигу по результатам лабораторных испытаний образцов, определение прочностных характеристик. Особенности испытаний на сдвиг глинистых водонасыщенных грунтов. Полевые и косвенные методы определения прочностных характеристик. Условия предельного напряженного состояния сыпучего и связного грунта, их использование при определении расчетного сопротивления грунтов, активного и пассивного давления на подпорные сооружения, оценки устойчивости откосов и расчетах прочности оснований.

Исходные данные для самостоятельного решения задач

Данные о грунтах

В перечень данных о грунтах входят:

1. схема расположения грунтовых слоев (ИГЭ) по глубине, называемых инженерно-геологическими элементами (рис. 1)

2. номера и толщины ИГЭ (табл.1);

3. значения показателей ИГЭ (табл. 2)

Рисунки могут редактироваться в редакторе Pаint.

Данные для решения из табл. 1 и табл. 2 студенты берут для своего варианта. Номер варианта принимается по номеру в списке группы.

Таблица 1

Номера и толщины ИГЭ

Примечания:

1. Слои или инженерно-геологические элементы (ИГЭ) располагаются на геологических разрезах (рис. 1) сверху вниз.

2. Номера ИГЭ принимаются в указанной в таблице последовательности.

3. Значения установленных опытами параметров принимаются по табл. 2.

Таблица 2

Показатели свойств грунтов

Примечания. 1. Прочерки означают, что данные характеристики для песков не определяются.

2. Формулы для определения вычисляемых характеристик приведены в табл. 3.

Таблица 3

Характеристики физического состояния грунтов и формулы для их вычисления

ТЕМА 1

Физические свойства грунтов

Согласно стандарту ГОСТ 25100-95, применяемому при инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве, грунтовые образования по совокупности признаков разделяют на следующие классы: природные скальные, природные дисперсные, природные мерзлые, техногенные.

Каждый класс в целях облегчения решения инженерных задач разделяется на группы, виды и разновидности. Наиболее часто в основаниях фундаментов встречаются природные дисперсные грунты, состоящие из отдельных слабо связанных между собой минеральных или органоминеральных зерен (частиц), воды и газа в пустотах (порах) между ними. Они подразделяются на связные и несвязные (сыпучие) грунты, которые ведут себя как сложная система. Изучение этого класса грунтов наиболее важно.

Влага частично или полно заполняет поры и находится во взаимодействии с твердыми частицами. Часть минералов инертна по отношению к воде (кварц, кремень, полевые шпаты и др.). Другие взаимодействуют с водой или растворяются в ней. Под действием поверхностных зарядов молекулы воды притягиваются к частицам и окружают их как пленкой. Кроме пленочной (связной) воды в грунтах выделяют капиллярную и гравитационную воду.

Связные грунты относятся к глинистым грунтам, которые подразделяют по числу пластичности I_p и показателю текучести I_L в соответствии с таблицами 1.1 и 1.2. Для их установления экспериментально определяют природную влажность w, влажности на границе между твердым и пластичным состояниями w_р и на границе между пластичным и текучим состояниями w_L. Методика проведения опытов, с которой следует ознакомиться, изложена в приложении 1. Число опытов для каждого выделяемого ИГЭ должно быть не менее10. В расчетах используется расчетное значение, равное среднеарифметическое значению (коэффициент надежности по грунту γ_g равен единице). Расчетные значения характеристик указаны в табл. 2.

Таблица 1.1

Разновидности глинистых грунтов по числу пластичности I_p

Примечание. Значения числа пластичности I_p вычисляются по формуле, приведенной в табл. 3.

Таблица 1.2

Разновидности глинистых грунтов по показателю текучести I_L

Несвязные или сыпучие грунты подразделяют по гранулометрическому составу (табл. 1.3), плотности сложения (табл. 1.4), водонасыщению (табл. 1.5).

Гранулометрический состав устанавливается по результатам просеивания пробы грунта через набор сит с разными размерами отверстий. Процентные содержания зерен различных размеров указаны в табл. 1.3. В табл.2 дано наименование песков по их зерновому составу.

Таблица 1.3

Разновидности грунтов по гранулометрическому составу

Примечание. Содержание частиц различной крупности определяется ситовым методом.

Плотность сложения песчаных грунтов оценивается по коэффициенту пористости е (табл. 1.4), равному отношению объёма пор к объёму твердых частиц. Формула для его вычисления коэффициента пористости приведена в табл. 3.

Таблица 1.4

Разделение песков по плотности

Примечание. Формула для подсчета коэффициента пористости приведена в табл. 3

Водонасыщение песков оценивается по показателю водонасыщения S_r (табл1.5), равному отношению объёма содержащейся в порах грунта воды к объёму пор.

Таблица 1.5

Разновидности грунтов по водонасыщению

Примечание. Коэффициент водонасыщения вычисляется по формуле, приведенной в табл. 3.

Показатели физического состояния используются для прогнозирования поведения грунтов в случаях изменения их состояния, часто в первую очередь при изменении температурного режима. Ежегодно грунты на территории России промерзают на некоторую глубину и находятся в мерзлом состоянии в течение всего холодного периода. Содержащаяся в них капиллярная и частично связная вода замерзают. Для "замещения" превратившейся в лед влаги из влажных нижних слоев, где её больше, к фронту промерзания под действием электромолекулярных сил начинается движение воды, называемое миграцией. Объёмное расширение (примерно на 9%) замерзающей воды, как находившейся в порах, так и мигрирующей в зону промерзания, за счет чего в мерзлом грунте происходит накопление льда, приводит к значительному увеличению объёма грунта, называемое морозным пучением. Его характеристикой является относительная деформация пучения S_fh, определяемая из выражения

S_fh = (h_{o, f} – h_o)/ h_o,

где h_{o, f} – высота мерзлого образца или слоя грунта;

h_o – высота образца или слоя талого грунта.

Количественную оценку силы и деформации морозного пучения давать сложно. Имеется только возможность прогнозирования морозного пучения по параметрам, указанным в табл. 1.6, которая находит применение при решении практических задач.

Таблица 1.6

Разновидности грунтов по морозному пучению

Помимо морозного пучения некоторые разновидности грунтов при дополнительном увлажнении могут давать просадку (просадочные грунты) или способны набухать (увеличиваться в объёме).

Просадочные грунты имеют характерные признаки. Их влажность в природном состоянии обычно не превышает 0.08…0.16, степень влажности S_r<0.5, удельный вес сухого грунта g_d<16 кН/м³. В составе таких грунтов 80…90% частиц из кварца, полевого шпата и растворимых минералов. По строительной классификации они относятся к пылеватым супесям и суглинкам. При дополнительном увлажнении без изменения давления происходит быстро развивающееся уплотнение, называемое просадкой.

Набухание глинистых грунтов объясняется утолщением толщины окружающих частицы пленок связанной воды. В результате частицы раздвигаются и объём грунта увеличивается. На препятствующие увеличению объёма конструкции возникает давление, достигающее 0.3…0.5 МПа. При высыхании происходит уменьшение объём грунта, называемое усадкой.

Грунты с особыми свойствами, называемые структурно неустойчивыми, встречаются в регионах, которые известны. При строительстве на территориях, где они залегают, их особенности изучаются более детально.

Задача 1.1. Оценить физическое состояние указанных в задании слоев.

Пример 1.1.

ИГЭ 10 (табл. 2). Грунт глинистый. Число пластичностиI_р=w_L-w_р=39-20=19. Показатель текучести I_L=(w-w_р)/₍ w_L-w_р)=(34-20)/(39-20)=0,74
Согласно классификации (табл. 1.1, 1.2 и 1.6) грунт глина мягкопластичная, сильнопучинистая при сезоном промерзании.

Пример 1.2

ИГЭ 44 (табл. 2). Песок мелкий.

Коэффициент пористости

е = (g_s(1+w)/g) - 1=26,5(1+0,13)/18 - 1=0,66

Степень влажности

S_r=wg_s/еg_w=0,13*26,5/(0,66*10)=0,52

Согласно классификации (табл. 1.4, 1.5 и 1.6) песок мелкий, средней плотности, средней степени водонасыщения, практически непучинистый.

Вопросы для самопроверки.

1. На какие классы разделяются грунты?

2. На какие группы разделяются природные дисперсные грунты?

3. Как определяются влажности глинистого грунта на границе раскатывания и границе текучести?

4. По каким показателям разделяют связные грунты на разновидности?

5. По каким показателям разделяют сыпучие грунты на разновидности?

6. Как происходит пучение грунтов при сезонном промерзании?

7. По каким показателям прогнозируют возникновение и степень морозного пучения сыпучих и связных грунтов?

8. Какие особенности имеют просадочные грунты?

9. Какие особенности проявляют набухающие грунты при замачивании и высыхании?

Тема 2.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: