Как известно, под действием давления грунт деформируется. Характер и величина деформации зависят от природы грунта, способа нагружения и граничных условий деформирования грунта. Деформационные свойства грунтов определяют следующие основные природные факторы: 1) структура и текстура; 2) состав и концентрация порового раствора; 3) химико-минералогический состав скелета грунта; 4) температура окружающей среды. Влияние тех или иных природных факторов на деформируемость грунтов зависит главным образом от структуры грунта, т.е. от дисперсности, плотности и расположения частиц в пространстве и связей между частицами. В зависимости от способа нагружения грунта различают деформации при статическом (ступенчатом), ударном и динамическом способах приложения давления. Наиболее часто деформационные свойства грунтов оснований сооружений определяют при статическом нагружении. В особых случаях деформационные свойства грунтов определяют при действии ударной нагрузки (трамбование, взрыв и т.п.), при вибрации, а также при воздействии гидростатического, главным образом отрицательного (капиллярного) давления, возникающего при водопонижении в дисперсных грунтах.
Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор, вследствие деформации частиц породы, воды, газа. При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой характеристике показателей относятся коэффициент уплотнения, коэффициент компрессии, модуль осадки, ко второй – коэффициент консолидации.
Деформационные свойства грунтов определяют как в лабораторных условиях на образцах с нарушенными или ненарушенными структурными связями, так и в полевых условиях. Лабораторные испытания до настоящего времени являются основным методом изучения свойств грунтов, так как позволяют сравнительно просто передавать различные давления на грунт, исследовать поведение грунта в широких диапазонах изменения физического состояния и условий окружающей среды, моделировать сложные случаи работы грунта в основании или теле сооружений. Полевые методы испытания позволяют более правильно отразить влияние текстурных особенностей грунта на его деформируемость.
Для исследования сжимаемости грунтов в полевых условиях применяют прессиометр - прибор, основанный на обжатии и измерении деформации грунта, находящегося в стенках необсаженной скважины, и определении модуля сжимаемости.
20. К основным характеристикам прочностных свойств грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.
Различают простое и сложное напряжённые состояния в грунте.
Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.
Они позволяют прогн-ть осадки сооружений, определять устойчивость пород в их основании, а при конструировании фундаментов предельно использовать несущие способность грунтов. Показателями, выраж-щие сопротивление пород сдвигу, дают возможность проектировать заложение откосов плотин, насыпей, дамб, бортов карьеров с минимальным объемом земляных работ, определять устойчивость склонов и оползней, определять рац-е сечение и устойчивость различных сооружений в т.ч. бетонных плотин. Сжимаемостью породы называют ее способность к уменьшению объема под воздействием нагрузки. При сжатии породы вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового расширения при одноосном сжатии относительной деформацией (е) называют отношение величины абсолютного уменьшения нагруженного образца (Δh) к его начальной высоте (h 0) е=Δh/h 0 Зависимость между напряжением (δ) и величиной относ-й деформации (е) при нагрузках меньше предела пропор-сти определяется выражением: δ=Ее (Е – модуль упругости)..
Сопротивление сдвигу . Прочностные свойства пород определяются рядом показателей, относящихся к категории прямых расчетных показателей. Прочность пород характеризуется способностью сопротивляться сдвигающим усилиям (сопротивление к сдвигу). Сдвигом называется процесс деформации и разрушения породы вследствие смещения одной ее части относительно другой. Сдвиг по данной площадке вызывается касательным напряжением к ней. Сопротивление сдвигу зависит от величины вертикальной нагрузки, приложенной к образцу. Прочность пород оценивается в основном по теории Мора, согласно которой разрушение тела происходит при определенном предельном соотношении нормальных и касательных напряжений.
Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются: одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.
21. Реол. св-ва грунтов. При инженерно-геологической оценке пород эти свойства имеют весьма важное значение. Однако роль каждого из них при этом неодинакова, что зависит от состава пород.1) Водоустойчивость . Определение водоустойчивости наиболее важно при оценке глинистых пород, которые под воздействием воды теряют связность и изменяют консистенцию или размокают и распадаются. Скорость и характер размокания характеризуют водоустойчивость.Некоторые разности глинистых пород при увлажнении сильно набухают, причем объем их увеличивается на 25-30%. Изменение свойств глинистых пород происходит не только при увлажнении. Высыхание влажных глинистых пород иногда сопровождается их растрескиванием, изменением монолитности, уменьшением объема (усадкой). Вода, воздействуя на породы, может также растворять, выщелачивать водорастворимые части и тем самым изменять их свойства. 2) Влагоемкость . Под влагоемкостью породы понимается ее способность в вмещать и удерживать определенное количество воды. В соответствии с этим различают породы: влагоемкие (глины, суглинки), среденевлагоемкие (скпеси, пески м/з,с/з, пылеватые) и невлагоемкие (пески с/з, к/з, гравий и т.д.). Применительно к породам невлагоемким следует говорить об их водоемкости. У влагоемких пород различают полную, капиллярную и молекулярную Влагоемкость. Полной влагоемкости полное насыщение породы водой, т.е. заполнение всех ее пор. Сравнивая естественную влажность породы с влажностью, соответствующей полной влагоемкости судят о степени ее водонасыщения. Капиллярной влагоемкости соответствует не полное насыщение породы водой, а такое, когда водой заполнены только капиллярные поры. Под молекулярной влагоемкостью понимается способность пород удерживать определенное количество физически связанной воды. Максимальное количество физически связанной воды, которое может удержать порода на поверхности своих частиц называется максимальной молекулярной влагоемкостью. Из песчаных пород насыщенных водой не вся вода может вытекать свободно, а только та часть, которая подчиняется силе тяжести. Способность песчаных и других обломочных пород, насыщенных водой, отдавать ее путем свободного стекания, характеризует их водоотдачу. Такой способностью обладают невлагоемкие породы. Водоотдача пород примерно равна разности между полной их влагоемкостью (W п) и максимальной молекулярной: W отд =W п -W м Характеристика водоотдачи пород имеет важное значение при решении многих практических вопросов, например при проектировании дренажей, притоков воды в котлован и т.д. 3) Капиллярность . При значительном повышении влажности песчаных и особенно глинистых пород понижаются их строительные качества. Увлажнение воды может быть обусловлено инфильтрацией воды с поверхности земли или поступлением ее снизу из какого-либо водоносного горизонта под влиянием напора капиллярных сил. Капиллярные силы образуют капиллярную зону над уровнем грунтовых вод, в пределах которой наблюдается повышенное увлажнение или насыщение пород. При интенсивном испарении капиллярных вод происходит засоление почв, образование солончаков. Известно, что максимальная высота капиллярного поднятия в т/з и м/з песках может достигать 1,5-2,0 м, в глинистых породах 3-4 м. В грубозернистых породах она мала и практического значения не имеет. 4) Водопроницаемость . К числу основных водных свойств пород относится водопроницаемость, т.е. способность пропускать через себя воду под действием напора. Данные, характеризующие водопроницаемость рыхлых обломочных и глинистых пород, имеет широкое применение в практике для определения притоков в строительные котлованы, подземные выработки, способов осушения и т.д. Водопроницаемость песков, галечников и др. рыхлых отложений зависит от их пористости и скважности. Глинистые породы при небольших напорах очень слабопроницаемы, т.к. размер пор в них мал. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются главным образом скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из уравнения v=K ф I (k) . Если I=1, то v=K ф м/сут, см/сут.
В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере занято физически связной водой.
22. Релаксация. При нагружении постоянной силой F возникают деформации,
развивающиеся во времени. Для прекращения развития этих деформаций необходимо уменьшать силу по некоторому закону F(t).Уменьшение во времени напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации называется релаксацией(расслаблением) напряжений. С позиции статистической физики релаксацию можно рассматривать как процесс установления статистического равновесия в физической системе, когда микроскопические величины, характеризующие состояние системы (напряжения), асимптотически приближаются к своим равновесным значениям. Характеристикой явления расслабления напряжений является время релаксации , равное времени за которое напряжение уменьшается в e раз, которое характеризует продолжительность «осёдлой жизни» молекул, т. е. определяет подвижность материала. Время релаксации различно у разных тел. Для скальных грунтов время релаксации изменяется сотнями и тысячами лет, ДЛЯ стекла - ОКОЛО ста лет, а для воды - 10-11 с. Например, горные породы, формирующие земную кору, обладают временем релаксации измерямым тысячелетиями, у воздуха 10-10, у воды 10-11, у льда сотни секунд. Если продолжительность действия сил на грунт меньше периода релаксации, то будут развиваться в основном упругие деформации.
Таким образом, в пределах 100-1000 секунд лёд ведёт себя как упругое тело (например, хрупко разрушается при ударе в условия большой нагрузки). При уменьшении нагрузки лёд течёт как вязкая жидкость. Аналогичное поведение - хрупкое разрушение при быстром приложении нагрузки и вязкое течение при длительном воздействии нагрузки–отчётливо проявляется у мёрзлых грунтов.
Если же время действия силы на грунт превышает время релаксации, то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения. Иными словами, в зависимости от отношения времени действия силы ко времени релаксации тело будет вести себя как твердое или как жидкое. Период релаксации является" основной константой, объединяющей свойства твердых и жидких тел. Величина времени релаксации может быть определена из отношения вязкости г| к модулю упругости (сдвига): Для твердообразных тел, к которым относятся дисперсные и скальные грунты, характерно наличие предельного напряжения сдвига Хк, называемого пределом текучести и совпадающего с пределом упругости.
23-24. Основные физико-химические свойства грунтов . К этим свойствам относятся свойства, которые проявляются в результате физико – химического взаимодействия между компонентами грунтов. К ним относятся коррозионные свойства грунтов, диффузионные, осмотические, адсорбционные, а также липкость, пластичность, набухание, размокание, усадка и другие свойства пород. Коррозионные свойства: коррозией называется процесс разрушения материалов в следствие их химических, электро – химических или био – химических взаимодействий с окружающей средой. Подземная коррозия выражается в разрушении строительных металлических материалов, сооружений и трубопроводов при их взаимодействии с грунтами. Основными причинами подземной коррозии являются: 1) воздействие грунтовой влаги на металлическую конструкцию; 2) явление электролиза. Эти явления возникают вокруг трубопровода, а также на участках, где используют трамвайное и железно – дорожное движение. Подобное разрушение возникает в грунтах, в результате воздействия блуждающих электрических токов на воду – солевой раствор в порах грунта, который в следствии такого взаимодействия станет агрессивным электролитом CISO4; 3) действия находящихся в грунтах микроорганизмов, вызывающие биокоррозию. В целом коррозия грунтов зависит от многих факторов. К основным относятся химический состав грунтов и в первую очередь состав и количество растворенных солей, а также влажность грунтов, содержание в них газов, структуры грунтов, их электропроводность и наличие бактерий. Диффузия (от лат. Diffusion - распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. Осмос (от греч. Osmos – толчок, давление), односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Диффузия и осмос ведет к перераспределению ионов вещества и молекул воды и наиболее вещественно проявляются в глинистых грунтах. Осмос в глинах может может вызвать деформации набухания или усадки. Например, если поместить засоленный глинистый грунт в пресную воду, то произойдет осмотическое всасывание воды и как результат набухание грунта. На практике такое набухание может происходить в различных каналах, проложенных в засоленных грунтах после их затопления пресной водой. Если будет иметь место обратное соотношение концентраций, то есть раствор в грунтах будет более пресный, чем в канале, то произойдет осмотический отсос воды из грунтов в результате их усадки. Адсорбция грунтов называется их способность поглощать из проходящих растворов определенные частицы или элементы вещества. Существуют несколько видов адсорбций: механическая (задерживание частицы за счет конфигурации пор); физическая (за счет молекул взаимодействующих между частицами из раствора и поверхностных пор); химическая (за счет химических взаимодействий); биологическая (за счет действия растений и различных микроорганизмов). Отдельные виды адсорбции могут проявляться совместно (физико – химическая адсорбция).
25. Усадка грунта . Усадкой грунта называется уменьшение его объема в результате удаления воды при высыхании или под влиянием физико-химических процессов (осмос и др.). В результате усадки грунт становится плотнее и после высыхания - даже твердым. Уплотнение глинистого грунта при усадке увеличивает его сопротивление деформациям, но наличие трещин, обычно сопровождающих усадку, повышает водопроницаемость и уменьшает устойчивость поверхностного слоя грунта в откосах. В условиях сухого и жаркого климата усадочные трещины разбивают массив глинистого грунта на глубину до 7-8 м и больше.В максимальной степени усадка проявляется в глинах; другим связным породам она свойственна меньше.
Липкость грунта проявляется при влажности, большей, чем Wm; наибольшего значения она достигает у глинистых грунтов. Липкость глин растет с увеличением внешнего давления и уменьшением влажности, ее максимальное значение в большинстве случаев достигается при максимальной молекулярной влагоемкости. Липкость грунта зависит от категорий воды, содержащейся в грунте, особенностей его химико-минеральной части, площади контакта грунта с предметом и др. Величина липкости глинистых грунтов при определенном соотношении их особенностей с внешними факторами может достигать 0,02-0,05 МПа. Поэтому липкость грунта является одним из факторов, определяющих условия работы ковшов, дорожных и почвообрабатывающих машин. Прилипание грунта к поверхности землеройных и транспортных машин и механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении вскрышных работ на карьерах, при разработке котлованов и т.д.
Водопрочность - это способность грунтов сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Взаимодействие пород с водой может быть статическим и динамическим: воздействие спокойной воды вызывает явления набухания и размокания, гидродинамическое воздействие - процесс размыва.
Размокаемость - это способность глинистых пород при впитывании воды терять связность и превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Интенсивность процесса размокания зависит от характера структурных связей, состава и состояния грунтов. Скорость и интенсивность размыва зависят как от характера водного воздействия, так и от реакции породы на данное воздействие - размываемости. Резкое изменение водопрочности (например, в результате выветривания) может привести к значительному снижению несущей способности грунтов оснований сооружений и к возникновению обвальных и оползневых явлений в бортах строительных котлованов и глубоких карьеров.
Размываемость чаще всего оценивается коэффициентом сопротивляемости горных пород размыву.
Пластичностью грунтов называется способность их изменять свою форму (деформироваться) без разрыва сплошности в результате внешнего воздействия и сохранять полученную при деформации новую форму после того, как внешнее воздействие прекращается. Пластичные свойства грунтов тесно связаны с влажностью и изменяются в зависимости от количества и качества находящейся в грунте воды. Переход глинистой породы из одной формы консистенции в другую совершается при определенных значениях влажности, которые получили название характерных влажностей или пределов. В инженерно-геологической практике наибольшее распространение получили верхний и нижний пределы пластичности. Пределы пластичности и число пластичности широко используются при классификации глинистых грунтов, определении расчетных сопротивлений грунтов и приблизительной оценке устойчивости грунтов в котлованах, выемках и т. д.
Набуханием грунта называется увеличение его объема при взаимодействии с водой. Набухание грунтов часто наблюдается при проходке котлованов и выемок и приводит к деформации крепи, полотна дорог, фундаментов и пр. Для определения набухания предложено несколько способов, которые могут быть объединены в пять групп, основанных на оценке набухания: 1) по теплоте набухания; 2) по давлению набухания; 3) по объему осадка, седиментированного в жид кости; 4) по количеству (объему или весу) воды, вызвавшей набухание; 5) по приросту объема грунта при набухании.
Наибольшее распространение в практике инженерно-геологических работ получил способ изучения набухания по приросту объема грунта в процессе насыщения его водой (в том виде, как он разработан А. М. Васильевым).
26. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией . Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются главным образом скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из уравнения v=K ф I (k) . Если I=1, то v=K ф м/сут, см/сут. Скорость движения воды через пористые среды (горные породы) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту, т.е. отношению действующего напора к длине пути фильтрации. Это важнейший закон водопроницаемости песчаных и глинистых пород – закон ламинарной фильтрации.
Скорость движения воды определяется также уравнением: v=Q/F (Q – количество фильтрующейся через породу воды, м 3 ; F – площадь поперечного сечения, м 2 , через которое фильтруется вода). Так как движение воды происходит только по порам, то действительная скорость фильтрации (исходя меньшей площади действительного сечения породы) больше. Действительный коэффициент фильтрации: K фд =K ф /n (n – пористость). Действительный коэфф-нт фильтр-и иногда называется коэф-том скорости фильтрации. В песчаных породах К фд всегда больше коэффициента фильтрации, опред-го непосредственно в лаб-ых усл-ях. В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере занято физически связной водой. В строительстве фильтрационные свойства грунта (его водопроницаемость) связаны: 1. С инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин). 2. С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод (У.Г.В.) для осушения котлованов. Лабораторный прибор для определения фильтрационных свойств грунтов представляет собой сосуд с пористым днищем (см. схему), в который помещается песок. Сверху заливается вода и измеряется ее расход (фильтрация через образец песка) с различными интервалами времени. Если в глинистом грунте создается гидравлический градиент меньше начальной величины, фильтрации в грунте нет и такой грунт является водоупором. Фил-ные хар-ки грунтов используются при: 1.Расчёте дренажа. 2.Определении дебита источника подземного водоснабжения. 3.Расчёте осадок сооружений (оснований) во времени. 4.Искусственном понижение У.Г.В. 5.Расчёте шпунтового ограждения при откопке котлованов, траншей.
Отметим ряд особенностей, хар-х для вечномерзлых грунтов после их оттаивания:
Максимальные значения водопроницаемости отмечены в зонах тектонического дробления, причем затухания с глубиной не наблюдается, что объясняется большим содержанием льда, вызванного распучиванием дисперсного заполнителя. После вытаивания льда образуются мощные фильтрационные ходы.
Водопрониц-ть вечномерзлых грунтов после их оттаивания обычно переменна во времени, поскольку находится под воздействием двух противоборств-х факторов. С одн стороны, пустоты, только что образовавшиеся в распученном массиве после вытаивания льда, стремятся к закрытию под действием веса вышележащих грунтов или нагрузок от сооружений, вследствие чего водопрон-ть должна уменьшаться. С другой стороны, тонкодисперсный заполнитель, который после вытаивания льда не обладает структурой, обеспеч-й его фильтр-ю прочность, способен размываться фил-ным потоком. Это влечет за собой увеличение водопр-сти пород. Фильтр-ю способность вечномерзлых пород оценивают по рез-там опытных работ на предварительно оттаянных участках или косвенными методами. К косв-м методам оценки водопр-сти вечномерзлых грунтов относятся: расчетные; сравнения зависимостей показателей водопрон-сти от трещиноватости для талых и мерзлых грунтов; воздушного опробования скважин; геофизические. Все эти методы носят оценочный характер.
Механические свойства грунтов Прочностные и деформационные свойства ГОСТ 12248 -96 МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ
Определение Механические или деформационные и прочностные свойства грунта характеризуют его поведение под воздействием внешней нагрузки
Сжимаемость- способность грунтов уменьшать объем под действием давления. В дисперсных глинистых грунтах сжимаемость происходит в основном за счет отжима из пористого пространства воды и газов. Сжимаемость песков происходит в результате изменений структуры скелетаперекомпановки частиц. В скальных грунтах- за счет упругой деформации скелета
Характеристики сжимамости К числу характеристик сжимаемости или к деформационным свойствам относят: u Модуль деформации u Коэффициент Пуассона u Коэффициент сжимаемости u Коэффициенты консолидации u Коэффициент переуплотнения
Напряжения представляют собой внутренние силы (давление), возникающие в теле как реакция на воздействия внешней нагрузки.
Полные и эффективные напряжения Напряжения, возникающие в водонасыщенных грунтах, определяются двумя факторами- силами, возникающими на контактах между минеральными частицами (в скелете грунта), и давлением, создаваемым отжимаемой из пор водой. Эффективное напряжение (ГОСТ 12248 -96)напряжение, действующее в скелете грунта, определяемое как разность между полным напряжением в образце грунта и давлением в поровой жидкости. Кажущееся, мнимое, нейтральное и др. напряжение- напряжение, создаваемое давлением отжимаемой воды Полное напряжение- эффективное + кажущееся напряжения
Полные и эффективные напряжения Рассматривая грунт как двух фазную систему, состоящую из скелета - минеральных частиц и поровой воды, введем понятия: u Рz – эффективное давление, давление в скелете грунта (уплотняет и упрочняет грунт). u Рw – 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 = Рz + Рw , где Р – полное давление. Эффективное напряжение определяется, при этом, как: Рz = Р - Рw (по Алексееву С. И. , 2007)
Рw- давление, создаваемое водой, отжимаемой из порового пространства грунта при деформации. Это давление вызывает напряжения, именуемые «минимыми» . u С течением времени мнимые напряжения постепенно релаксируются (расслабляются). В песчаных грунтах процесс релаксации протекает быстро (иногда мгновенно), в глинистых- значительно медленнее. u Причиной этой разницы является различие в скорости и характере фильтрации воды под действием нагрузки. u
Консолидация грунта при сжатии В общем случае приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту первоначально возникает сжатие, обусловленное упругими деформациями поровой воды и скелета грунта. Затем начинается процесс фильтрационной консолидации, обусловленный выжиманием воды из пор грунта. u По завершении фильтрационной начинается процесс вторичной консолидации грунта, определяемый медленным смещением частиц относительно друга в условиях незначительного отжатия воды из пор грунта. Первичная консолидация- это фильтрационная консолидация, вторичная консолидацияобусловлена ползучестью. u
Теория фильтрационной конослидации Основное положение теории фильтрационной консолидацииуплотнение дисперсного водонасыщенного грунта происходит за счет отжатия из него воды при сжатии пористого пространства Какие напряжения вызывают консолидацию грунта? Только эффективные, то есть передающиеся на скелет грунта. Нейтральное давление на сжатие грунта не влияет.
Уравнение Павловского- основа теории фильтрационной консолидации u Это уравнение для одномерного случая имеет вид u где q - единичный расход фильтрующейся воды (скорость), м/с; n - пористость грунта; z координата (вдоль оси z происходит фильтрация), м; t - время, с.
Уравнение для одномерной задачи следующее: Для пространственной задачи оно имеет вид u где c. V - коэффициент консолидации; - Рпорпоровое давление
Коэффициент консолидации Сv имеет размерность м 2/с. Он указывает на скорость прохождения процесса консолидации - чем больше коэффициент консолидации, тем быстрее она проходит.
Фильтрация в песках и глинах Фильтрация происходит за счет разности напоров или благодаря наличию фильтрационного градиента.
Начальный градиент В глинистых грунтах свободная вода, течение которой подчиняется силе тяжести отсутствует. Вода в глинистых грунтах содержится в очень мелких, часто закнутых порах и не может фильтроваться сама по себе. Для того, чтобы в глинистом грунте началась фильтрация к нему необходимо приложить некоторое дополнительное давление, создающее определенный градиент, который называется начальным градиентом. Начальный градиент фильтрации (i 0) величина градиента фильтрации в глинистых грунтах, при котором начинается практически ощутимая фильтрация
Закон Дарси: Vпот= Кф * i, Vпот- скороcть потока i- градиент напоров Кф- к-т фильтрации Закон Дарси с учетом начального градиента фильтрации выражается следующим образом: Vпот= Кф * (i-i 0) при i>i 0, Vпот=0 при i
Ползучесть (по ГОСТУ) u Ползучесть - развитие деформаций грунта во времени при неизменном напряжении. u Стадия незатухающей (не установившейся) ползучести процесс деформирования грунта с постоянной или увеличивающейся скоростью при неизменном напряжении
Деформации основания Исакиевского собора (по Дашко и др.) – следствие ползучести http: //georec. narod. ru/mag/2002 n 5/7/7. htm Надежный слабосжимаемый грунт Слабый сильно сжимаемый грунт (ползучий грунт) Надежный слабосжимаемый грунт
Теория упругости. Закон Гука. Упругая деформация сжатия и/или растяжения прямопропорциональна напряжению: ε = Рх/Е, где ε – относительная деформация Рх – напряжение (давление), МПа Е- модуль Юнга, МПа
Физический смысл модуля Юнга Модуль Юнга (Е, Мпа)- отражает пропорцию между относительной линейной деформацией м напряжением. Он определяется составом и свойствами материала (в нашем случае грунтов) и изменяется в зависимости от состава и свойств последних. Не зависит от величины сжимающего напряжения.
Упругие деформации Упругая деформация- относительное изменение размера и формы тела под воздействием внешней нагрузки. После снятия нагрузки форма и размеры восстанавливаются.
Упругие деформации По направленности деформации подразделяются на продольные (относительно направления приложенной нагрузки) и поперечные. Относительная продольная деформация: x= (h 1 -h 2)/h 1 Относительная поперечная деформация: y= (S 2 -S 1)/S 1
Коэффициент Пуассона () Коэффициент Пуассона – отношение относительных линейных деформаций тела в направлении, поперечном действию нагрузки к относительной линейной деформации в продольном направлении: = ε y/ε x
Коэффициент сжимаемости () и модуль объемной деформации (К) упругих тел u Для случая всестороннего равномерного сжатия твердого тела закон Гука принимает вид: где p=(pх+py+pz)/3. Величину р называют средним нормальным напряжением.
Коэффициент сжимаемости (m 0) и модуль объемной деформации (К) упругих тел u Исходя из предыдущего можно найти выражение для коэффициента сжимаемости или обратной ему величины - модуля объемной деформации К упругой среды: Не зависит от величины сжимающего напряжения.
Компрессионные испытания u 5. 4. 1. 1 Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости mo, модуля деформации E, к-та консолидации. . . u 5. 4. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах)…, исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой.
Деформации При сжатии в компрессионном приборе происходит уменьшение объема и (в первую очередь) уменьшение объема пористого пространства (и, следовательно, кта пористости). Это позволяет выразить объемную деформацию через изменения значений к-та пористости е.
Деформация грунтов Грунт не является идеально-упругим телом. В глинистых грунтах, наряду с упругими, проявляются и пластичные деформации, что нарушает линейный характер зависимости между напряжением и деформацией.
Компрессионная кривая- гиперболический график зависимости нагрузок и коэффициента пористости е Коэффициент пористости (функция объема- деформации) е 0 i ступень нагрузки e 1 e 2 i+1 ступень нагрузки Прямолинейный отрезок Р, МПа Рs P 1 P 2 вертикальное давление е 0 - первоначальное природное значение к-та пористости, Рsминимальное давление, при котором начинается заметная деформация
Коэффициент поперечной деформации β-коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе β=1 - (2 2/(1 -)) Коэффициент (коэффициент Пуассона) определяется по данным трехосных испытаний. Если эти данные отсутствуют, его значения принимается равными: - Для песков и супесей: 0. 30 -0. 35 - Для твердых суглинков и глин: 0. 2 -0. 3 - Для полутвердых суглинков и глин: 0. 30 -0. 38 - Для туго-текучепластичных суглинков и глин: 0. 38 -0. 45
Модуль деформации (Е, МПа) - коэффициент пропорциональности линейной связи между приращениями давления на образец и его объемной деформацией. По своей природе он аналогичен модулю объемной деформации (К) в законе Гука, но зависит от величины сжимающего напряжения. При определении Е объемная деформация V приблизительно соответствует изменениям коэффициента пористости е на соответствующих ступенях деформации: V е
Относительная сжимаемость на i-той ступени Коэффициент относительной сжимаемости (относительной вертикальной деформации) на i-той ступени нагрузки определяется как отношение величины высоты, на которую изменился образец от данной нагрузки к изначальной высоте сжимаемого образца: εi = Δhi/h
Расчет коэффициента пористости на i-ой ступени нагрузки К-т пористости на i-ой ступени нагрузки вычисляется как: е 0 - начальный (исходный) к-т пористости еi- к-т пористости на i-той ступени нагрузки i- относительная сжимаемость при i-той ступени нагрузки
Расчет модуля деформации В соответствии с ГОСТ 12248 -96 модуль общей деформации Е вычисляется по формулам: Еi-(i+1)= ((Рi – Pi+1)/(еi – еi+1))*β Или Еi-(i+1)= ((1+ео)/mo)*β ео- коэффициент пористости природного грунта е- значения к-та пористости на I и i+1 ступенях нагрузки mo- к-т сжимаемости β - к-т бокового расширения
Нагрузки и сжимаемость Нагрузки или удельное давление от многих типов сооружений (блочные пятиэтажки, земляные насыпи высотой около 10 м и др.) находятся в диапазоне от 200 до 300 KПа. Исходя из этого грунты по показателю сжимаемости в диапазоне давлений 200300 KПа могут классифицироваться на: u mo mo >1/10 МПа- среднесжимаемые u mo >1/10 МПа- слабосжимаемые
Коэффициент консолидации u. Kоэффициент фильтрационной с. V и вторичной с консолидации - показатели, характеризующие скорость деформации грунта при постоянном давлении за счет фильтрации воды (с. V) и ползучести грунта с
Коэффициент консолидации Коэффициенты консолидации используются для оценки скорости развития осадки. Сv- см 2/мин, час, год С - см 2/мин, час, год Эти к-ты определяются графоаналитическим методом по компрессионной кривой (Приложение Н, ГОСТ 12248 -96) или по специальным испытаниям в комрпессионном приборе.
Бытовое давление Бытовое (литостатическое или природное или горное или пр.) давление (Рб) определяется как: Рб= *H H- глубина, м - удельный вес (МН/м 3)
Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды (для водонасыщенных грунтов) определяется по формуле u = (s - w)/ (1 + e), где: u s – удельный вес частиц грунта вычисляется: u s = s * g где: u s – плотность частиц грунта т/м 3 u g – ускорение свободного падения = 9, 81 м/с2 u w – удельный вес воды = 0, 01 МН/м 3 u e – коэффициент пористости (безразмерная) u
Эпюра вертикальных напряжений Массивы грунтов в условиях естественного залегания находятся в напряженном состоянии, обусловленном давлением от слоев грунта. В условиях, когда отсутствует возможность бокового выпирания вертикальное напряжение возрастает с глубиной: бz= ∑ gi * i *hi, i- количество слоев, gускорение силы тяжести, i- удельный вес i-го слоя, hi- глубина кровли (подошвы) i-го слоя.
Определения ГОСТ 30416 -96 Стабилизированное состояние грунта, характеризуемое окончанием деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и отсутствием избыточного давления в поровой жидкости. u Нестабилизированное состояние грунта, характеризуемое незавершенностью деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и наличием избыточного давления в поровой жидкости. u
Переуплотненные и недоуплотненные грунты Грунты, сжимаемость которых ниже, чем ожидаемая при данном бытовом давлении, называются переуплотненными. Переуплотнение является следствием сжатия грунтов в глубине толщи и последующим их выходом к поверхности в результате размыва вышележащих отложений, результатом сжатия под давлением древних ледников и т. п. Характеризуются низкой сжимаемостью, иногда набухают. В целом являются надежными основаниями.
Грунты, сжимаемость которых выше, чем ожидаемая при данном бытовом давлении, называются недоуплотненными. Они образуются в результате весьма быстрого накопления (лавинная седиментация) и др. причин. Типичные недоуплотненные грунты это лессы, а также морские и аллювиально-морские илы, сапропели, торф. Характеризуются наличием избыточного порового давления, превышающего гидростатическое; высокой сжимаемостью; неустойчивостью при динамической нагрузке, в целом являются весьма ненадежными основаниями.
Переуплотнение и недоуплотнение I- интервал нагрузок, не превышающих бытового давления II- интервал нагрузок, превышающих бытовое давление е Рs- максимальное бытовое давление, имевшее место за геологическую историю (давление предуплотнения) Для переуплотненных грунтов: Рs>Pб Для недоуплотненных: Рs
К-т переуплотнения Для оценки уплотненности грунта используется к-т переуплотнения КПУ. По значениям КПУ грунты можно классифицировать: u недоуплотненные КПУ 4.
К-т переуплотнения КПУ вычисляется как: КПУ= Ps/Pб, где: u Ps- давление предуплотнения, МПа u Pб- современное бытовое давление, МПа
К-т переуплотнения Недоуплотненные грунты склонны к просадке под действием собственного веса. При этом они отличаются низкой прочностью, высокой сжимаемостью и неустойчивостью при динамических нагрузках. В целом являются ненадежными основаниями. u Переуплотненные грунты имеют высокую прочность, низкую сжимаемость, могут набухать. При КПУ>6 к-т бокового давления грунта может превышать 2, что необходимо учитывать при проектировании подземных сооружений. В целом являются надежными основаниями. u
Прочностные свойства Прочность грунтов при сдвиге обусловлена сцеплением (наличием структурных связей) и трением между частицами. Структурные связи- связи между структурными элементами (частицами, агрегатами кристаллами и др.), из которых состоят грунты
Характеристики прочностных свойств С- сцепление (удельное сцепление), МПа φ -угол внутреннего трения, градусы τ - сопротивление грунта срезу, МПа R- сопротивление одноосному сжатию Su- сопротивление недренированному сдвигу, МПа
Структурные связи по степени прочности Механические- трение между частицами (в песках, крупнообломочных и глинистых грунтах) Водно-коллоидные или коагуляционные (по сути - слипание частиц)- обусловлены электромагнитными (вандервальсовскими- Ван дер Вальс) силами междумолекулярного притяжения (глинистые дисперсные грунты) Цементационные- возникают за счет заполнения пористого пространства минеральной массой, цементирующей частицы (полускальные породы) Кристаллизационные- внутри кристаллов и между кристаллами (скальные магматические и метаморфические породы)
Прочность и разрушение Прочность грунтов определяется в основном структурными связями между отдельными частицами (кристаллами или зернами) и/или агрегатами частиц и кристаллическими сростками. Прочность самих элементарных кристаллов, частиц или минеральных агрегатов имеет вторичное значение. Разрушение грунта наступает, когда, по достижении некоторых предельных напряжений, нарушаются структурные связи и происходит необратимое перемещение частиц относительно друга.
Давление Р от веса надземной части сооружения и собственного веса фундамента рассеивается в массиве грунта. Равнодействующую R раскладываем на две составляющие и, сжимают частицы грунта друг к другу и разрушить их практически не могут (частицы грунта – кварц, полевой шпат и т. д.) разруш 2000 кгc/см 2 200 Мпа – таких напряжений под фундаментом практически не возникает.
u Значит разрушение грунта происходит от действия касательных напряжений (). Под действиями этих напряженний частицы грунта смещаются относительно своих контактов, зерна попадают в поровое пространство, происходит процесс уплотнения грунта с возникновением в некоторых областях поверхностей скольжения
Теория Кулона-Мора Согласно этой теории прочность грунта определяется соотношением между нормальными и касательными напряжениями: = σ * tgφ+ С, где - -касательное напряжение - σ- Нормальное напряжение - С- сцепление - φ- угол внутреннего трения
Физический и геометрический смысл C и φ Геометрический смысл (по ГОСТ 30416 -96): u Угол внутреннего трения - параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как угол наклона этой прямой к оси абсцисс. u Удельное сцепление грунта - параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат. Физический смысл: u Удельное сцепление- сила или прочность структурных связей u Угол внутреннего трения- силы трения между частицами Можно выделить две составляющие сцепления: 1 - прочность структурных связей (Cc) 2 - прочность за счет трения (ΣW)- механические связи
Прочность глинистых грунтов τ В связанных глинистых грунтах, содержащих песчаные частицы, c цементационными или водно-коллоидными связями прочность определяется как сцеплением, так углом внутреннего трения φ τ = σ * tg φ + C С σ 0
Прочность глинистых грунтов τ В связанных глинистых грунтах, не содержащих песчаных частиц, c цементационными или водно-коллоидными связями прочность определяется как сцеплением τ= C С σ 0
Прочность песчаных грунтов τ В несвязанных песчаных грунтах прочность в основном определяется углом внутреннего трения, а значения С относи- тельно малы τ = σ * tg φ φ σ
Определение прочностных характеристик методом одноплоскостного среза u u 5. 1. 1. 1 Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивление грунта срезу τ, угла внутреннего трения φ, удельного сцепления С, для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов. 5. 1. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза
Сдвиговой прибор u Прибор одноплоскостного сдвига состоит из двух колец (нижнего и верхнего). Нижнее кольцо закрепляется в сдвиговой коробке неподвижно. Верхнее может перемещаться относительно нижнего.
НН, КН и КД (по ГОСТ 30416 -96) Консолидированно-дренированное испытание грунта для определения характеристик прочности и деформируемости с предварительным уплотнением образца (в одометре) и отжатием из него воды в процессе всего испытания. Консолидированно-недренированное испытание грунта для определения характеристик прочности с предварительным уплотнением образца и отжатием из него воды только в процессе уплотнения. Неконсолидированно-недренированное испытание грунта для определения характеристик прочности без предварительного уплотнения образца при отсутствии отжатия из него воды в процессе всего испытания.
Сопротивление срезу Сопротивление грунта срезу характеристика прочности грунта, определяемая значением касательного напряжения, при котором происходит разрушение (срез). u Сопротивление грунта срезу (τ, МПа) определяется как величина касательной нагрузки Q, отнесенная к площади среза А образца при заданной величине нормальной нагрузки F. u τ = Q/A, МПа
Почему нужны минимум три точки? τ - сопротивление грунта срезу, МПа Третья точка играет корректирующую роль
Схемы сдвиговых испытаний неконсолидированно-недренированное испытание – для водонасыщенных глинистых и песчаных грунтов- испытание без предварительного уплотнения и без отжима воды; u консолидированно-недренированное испытание – для нестабилизированных глинистых грунтов- испытание с предварительным уплотнением (в одометре) под давлением, эквивалентном бытовому давлению + давлению от сооружения и без отжима воды; u консолидированно-дренированное испытание – для стабилизированных глинистых грунтов и песков- испытание с предварительным уплотнением и с отжимом воды u
Метод одноосного сжатия 5. 2. 1. 1 Испытание грунта методом одноосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности: предела прочности на одноосное сжатие (R) для скальных полускальных грунтов; сопротивления недренированному сдвигу для водонасыщенных глинистых грунтов (Su). 5. 2. 1. 2 Предел прочности на одноосное сжатие определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.
Трехосное сжатие (наиболее передовой метод) 5. 3. 1. 1 Испытание грунта методом трехосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности и деформируемости: угла внутреннего трения φ, удельного сцепления С, сопротивления недренированному сдвигу Su, модуля деформации Е и коэффициента поперечной деформации v для песков, глинистых, органоминеральных и органических грунтов. 5. 3. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения…
Особенности метода При испытаниях цилиндрический образец грунта помещают в резиновую оболочку Давление на образец создается рабочим поршнем (вертикальная нагрузка F) и всесторонним давлением воды В отличии от компрессионного сжатия, сдвига и одноосного сжатия измеряется не только вертикальная и продольная (при сдвиге) деформации, но и объемная деформация (за счет измерения объема и давления воды в камере)
Трехосные испытания грунтов циклическими нагрузками Цель данного метода- оценка прочностных свойств при динамических нагрузках (землетрясения, волнение моря, вибрация сооружения и т. д.) При этом методе образец грунта подвергается воздействию чередующихся нагрузок сжатия и растяжения. Циклы сжатия и растяжения чередуются с периодом и частотой, соответствующими ожидаемому динамическому воздействию. Методики испытаний не гостированы.
6. Прочность и деформируемость мерзлых грунтов Определяются следующими методами: Испытания шариковым штампом u Одноплоскостным срезом по поверхности смерзания u Одноосным сжатием u Все испытания проводятся при отрицательной внешней температуре, которая, в идеале, должна соответствовать природной температуре мерзлого грунта
Что делать если деформационные и прочностные свойства грунтов не определены и имеются лишь значения физических свойств? 1. 2. Прочностные и деформационные свойства принимаются по материалам, полученным в сопредельных районах. Для предварительных расчетов оснований… допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам из Приложения 1 СНи. П 2. 01 -83. Основания и фундаменты.
Нормативные значения удельного сцепления сn, к. Па (кгс/см 2), угла внутреннего трения n, град. , пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений
Нормативные значения удельного сцепления сn, к. Па (кгс/см 2), угла внутреннего трения n, град. и модуля деформации Е, МПа (кгс/см 2), песчаных грунтов четвертичных отложений
СП 22.13330.2011
Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88
Автор НИИОСП им.Н.М.Герсеванова
Глава 5.3. п.:
- Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения φ, удельное сцепление c
, предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов R c
, модуль деформации E
и коэффициент поперечной деформации υ грунтов). Допускается применять другие параметры, характеризующие взаимодействие фундаментов с грунтом основания и установленные опытным путем (удельные силы пучения при промерзании, коэффициенты жесткости основания и пр.).
Примечание - Далее, за исключением специально оговоренных случаев, под термином "характеристики грунтов" понимают не только механические, но и физические характеристики грунтов, а также упомянутые в настоящем пункте параметры.
СП 50-101-2004 "Проектирование и устройство оснований
и фундаментов зданий и сооружений"
Автор НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, ГУП Мосгипронисельстрой
п.5.1.8
В состав физико-механических характеристик грунтов входят:
- - плотность грунта и его частиц и влажность (ГОСТ 5180 и ГОСТ 30416);
- - коэффициент пористости;
- - гранулометрический состав для крупнообломочных грунтов и песков (ГОСТ 12536);
- - влажность на границах пластичности и текучести, число пластичности и показатель текучести для глинистых грунтов (ГОСТ 5180);
- - угол внутреннего трения, удельное сцепление и модуль деформации грунтов (ГОСТ 12248, ГОСТ 20276, ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);
См. Нормативные значения этих характеристик - Приложение А СП 22.13330.2016
- - временное сопротивление при одноосном сжатии, показатели размягчаемости и растворимости для скальных грунтов (ГОСТ 12248).
К физические характеристики грунтов относятся:
Для специфических грунтов, особенности проектирования оснований которых изложены в разделе 6 СП 22.13330.2011, и при проектировании оснований подземных частей сооружений (см. раздел 9) дополнительно должны быть определены характеристики, указанные в этих разделах.
К грунтам со специфическими неблагоприятными свойствами относятся:
-
Просадочные грунты
Набухающие грунты
Засоленные грунты
Органоминеральные и органические грунты
Элювиальные грунты
Насыпные грунты
Намывные грунты
Пучинистые грунты
Закрепленные грунты
При определении расчетного сопротивления грунта R оснований деревянных домов, относящихся к 3 пониженному классу ответственности , по табличным значениям R 0 (В.1-В.10 приложения В) не требуется определения таких физико-механических характеристик, как:
Угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации и коэффициент поперечной деформации грунтов (ГОСТ 12248 , ГОСТ 20276 , ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);
См. пример определения свойств грунтов для замены фундамента на странице сайте: "Пример расчета основания деревянного дома "
Определения
Приложение А. п.:
- Коэффициент пористости e
определяется по формуле (См. А.6 ГОСТ 25100-2011)
e = (ρ s - ρ d)/ρ d , (А.5)
-
ρ s -плотность частиц (скелета) грунта, масса единицы объема твердых (скелетных) частиц грунта г/см3;
ρ d - плотность сухого грунта, отношение массы грунта за вычетом массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему, г/см3, определяемая по формуле
- Плотность сухого грунта (скелета) ρ d
определяют по формуле (см. А.16 ГОСТ 25100.2011)
ρ d = ρ/(1+w ), (А.8)
-
где ρ - плотность грунта, г/см 3 (см. ГОСТ 5180);
w - естественная влажность грунта, %
- Показатель текучести I L
- отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластичности Ip
А.18 ГОСТ 25100-2011 , Показатель текучести I L д.е., - показатель состояния (консистенции) глинистых грунтов; определяют по формулеI L = (w - w p)/I p , (A.9)
-
где w - естественная влажность грунта, % (см. ГОСТ-5180-84);
w p - влажность на границе раскатывания, % (см. ГОСТ 5180);
I p - число пластичности, %, (см. А.31 ГОСТ 25100-2011)
- Число пластичности I p
(См. А.31 ГОСТ 25100-2011), %; определяют по формуле
I p = w L - w p , (A.17)
-
где w L - влажность на границе текучести, % (см. 4 ГОСТ 5180);
w p - влажность на границе раскатывания, % (см. 5 ГОСТ 5180)
Сжимаемость - способность грунта уменьшаться в объеме под действием внешней силы, характеризуется коэффициентом сжимаемости m 0 (тангенсом угла наклона компрессионной кривой), определяемого по формуле (См. 5.4 ГОСТ 12248-2010)
m 0 = (e i - e i+1)/ (p i+1 - p i) 5.32
-
e i и e i+1 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям p i и p i+1 .
- По измеренным в процессе испытания значениям горизонтальной срезающей и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и σ, МПа, по формулам:
τ = 10Q / A; (5.3)
σ = 10F / A; (5.4) - Удельное сцепление
c
и угол внутреннего трения
φ
грунта определяются как параметры линейной зависимости
τ = σ tg(φ) + c (5.5)
-
τ и φ определяются по формулам (5.3) и (5.4) = Q/A, (5.1) - касательные напряжения и
= F/A, (5.2) - нормальные напряжения
Q и F -соответственно касательная и нормальная сила к плоскости среза, кН
A - пллощадь среза, см2
Источник:
ГОСТ 12248-2010 плотность грунта ρ
- отношение массы грунта включая массу воды в его порах к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность сухого грунта ρ
d - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность частиц грунта ρ
s - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта (г/см 3 т/м 3).
Полная влагоёмкость Wo – максимально возможное содержание в грунте всех возможных видов воды при полном заполнении его пор.
w sat = n.ρ w / ρ d
-
где: n – пористость, д.е.,
ρ w – плотность воды, г/см3,
ρ d – плотность сухого грунта .
Механические свойства грунтов – это их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых и физических воздействий.
деформационные - способность грунта прочностные – способность грунта
сопротивляться развитию деформаций; сопротивляться разрушению;
На механические свойства оказывают влияние характер структурных связей частиц, гранулометрический и минеральный состав и влажность грунтов. Основными механическими свойствами грунтов считают: сжимаемость; сопротивление сдвигу; водопроницаемость.
Сжимаемость.
Способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок называют сжимаемостью, осадкой или деформацией. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности и минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой. Таким образом, сжимаемость зависит от многих факторов, основными из которых являются физический состав, вид структурных связей частиц и величина нагрузки.
По характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т.е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации – за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения. При расчетах сжимаемости грунта основные деформационные характеристики определяют в лабораторных условиях согласно коэффициенту относительной сжимаемости, коэффициенту бокового давления и коэффициенту поперечного расширения.
Сопротивление сдвигу
Предельным сопротивлением сдвигу называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к сдвигу, т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления. В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.
Сопротивление глинистых грунтов сдвигу t определяется уравнением Кулона:
Для песчаных грунтов, из-за отсутствия сил сцепления, сопротивление сдвигу приобретает вид:
Водопроницаемость
Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду под действием разности напоров и обуславливается физическим строением и составом грунта. При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований.
Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики.
Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться без разрушения под влиянием внешней нагрузки. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации Е , коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия. Сжимаемость дисперсных грунтов под нагрузкой обусловлена смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор.
Прочность грунтов определяется их сопротивляемостью сдвигу , которое можно описать линейной зависимостью Кулона
τ = p tgφ + c ,
где τ – сопротивление сдвигу, МПа; р – нормальное давление,МПа; tg φ – коэффициент внутреннеготрения; φ – угол внутреннего трения, град; c – сцепление,МПа.
Величины φ и c необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости.
Прочность скальных грунтов определяется преимущественно их структурными связями, т.е. сцеплением, но в наибольшей меретрешиноватостью.
Временное сопротивление скального грунта одноосному сжатию (предел прочности на сжатие) является важной классификационной характеристикой, по которой проводится отнесение грунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа).
Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяют в геологических лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентгеноэлектронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свойства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях на будущих строительных площадках. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых результатов .
По каждой характеристике грунтов выполняется несколько определений и проводится их статистический анализ. Для любого ИГЭ определений должно быть не менее трех.
Грунтоведческая лаборатория. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах и в буровых скважинах на объектах.
В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты - это образцы грунтов с ненарушенной структурой, которые должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. У пылевато-глинистых грунтов нужно сохранять природную влажность за счет водонепроницаемой парафиновой или восковой оболочки на их поверхности В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбираются массой не менее 0,5 кг.
В лабораторных условиях можно определять все физико-механические характеристики, причем каждую согласно своему ГОСТ: природная влажность и плотность грунта – ГОСТ 5180-84, предел прочности – ГОСТ 17245-79, гранулометрический (зерновой) состав – ГОСТ 12536-79 и т. д. В лаборатории определяют влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие.
Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях дает преимущество перед лабораторным анализом, поскольку позволяет определять все значения физико-механических характеристик при естественном залегании грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При этом моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений. Такие исследования грунтов в последние годы используют все больше.При этом совершенствуется техническая оснащенность, применяютсяЭВМ. Экспресс-методы позволяют быстрее получать свойства грунтов. Чтобы прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и сооружений, целесообразно разумно сочетать лабораторные и полевые исследования.
Среди методов деформационных испытаний грунтов на сжимаемость следует считать эталонным метод полевых штамповых испытаний (ГОСТ 20278-85). Результаты других методов испытаний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое лидирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штамповых испытаний.
При определении прочностных характеристик грунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков грунта непосредственно на строительной площадке(ГОСТ 23741-79). Из-за высокой стоимости и трудоемкости эти работы проводят толькодля сооружений I уровня (класса) ответственности. К ним относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты и требующие повышенную надежность (главные корпусы ТЭС. АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы выше 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т, д.).
Для других случаев строительства (II и III класс сооружений) достаточно надежные показатели с и φ получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248-78) и трехосного сжатия (ГОСТ 26518-85).
Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования, результаты которого при проектировании ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испытаниями для обеспечения достоверности результатов.
Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статически зондированием.
Метод ш т а м п о в . В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передаются статические нагрузки (ГОСТ 20276-85). Штамп в шурфе – это стальная или железобетонная круглая плита площадью 5000 см 2 . Для создания под штампом заданного давления применяют домкраты или платформы с грузом (рис. 49).
Осадку штампов измеряют прогибомерами. В шурфе на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Штамп загружают ступенями в зависимости от вида грунта и его состояния, выдерживая до стабилизации деформаций. В итоге испытания строят графики зависимостей осадки штампа от давления и от времени по ступеням нагрузки.После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е , МПа.
Штамп в буровой скважин е. Испытание грунтов проводят в скважине диаметром более 320 мм глубиной до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см 2 . Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации также определяют по формуле.
Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, опускаемую в скважину на заданную глубину и расширяемую давлением жидкости или газа. При создаваемых давлениях замеряют радиальные перемещения стенок скважины, что позволяет определять модуль деформации и прочностные характеристики грунта.
Рис. 49. Определение сжимаемости грунтов штампами:
а, б – шурфы; в – буровая скважина; 1 – штампы; 2 – домкрат;
3 – анкерные сваи; 4 – платформа с грузом; 5 - штанга
Зондирование (или пенетрация ) используется для изучения толщ грунтов до глубины 15 – 20 м. По сопротивлению проникновения в грунт металлического наконечника (зонда) определяют плотность и прочность грунтов и их изменчивость в вертикальном разрезе. Зондирование относится к экспресс-методам определения механических свойств песчаных, глинистых и органогенных грунтов, которые не содержат или имеют мало примесей щебня или гальки. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое . При статическом зондировании конус в грунт задавливается плавно, а при динамическом его забивают молотом.
Статическое и динамическое зондирования позволяют:
Расчленить толщу грунта на отдельныеслои;
Определить глубину залегания скальных и крупнообломочных грунтов;
Установить приблизительно плотность песков, консистенцию глинистых грунтов, определить модуль деформации;
Оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях и намывных образованиях;
Измерить мощность органогенных грунтов на болотах.
На рис. 50 показана пенетрационно-каротажная станция.
Рис. 50. Пенетрационно-каротажная станция:
1 – зонд-датчик; 2 – штанга; 3 – мачта; 4 – гидроцилиндр; 5 – канал связи; 6 – аппаратная станция; 7 – пульт управления
Прочностные испытания грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу определяется предельными значениями напряжений при разрушении. Опыты проводят в котлованах, оставляя столбчатые целики ненарушенного грунта, к которым прикладывают сжимающие и сдвигающие усилия. Для правильного определения внутреннего трения и удельного сцепления опыт проводят не менее чем на трех целиках при различных сжимающих усилиях. Сдвиг производят также при вращении крыльчатки, которая представляет собой четырехлопастной прибор. Его вдавливают в грунт и поворачивают, измеряя при этом крутящий момент, по которому рассчитывают сопротивление сдвигу.
Опытные строительные работы . При строительстве объектов I уровня ответственности (класса) полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение, поэтому прибегают к опытным работам.
Опытные сваи . На строительной площадке погружают инвентарную сваю и наблюдают за характером ее погружения и сопротивляемостью грунта. Прикладывая к свае нагрузки и измеряя осадки при каждой ступени определяют несущую способность грунта в условиях природной влажности и при замачивании . Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными на базе лабораторных исследований грунта.
Опытные фундаменты . Устраивают фундаменты будущего здания в натуральную величину и на проектную глубину. На фундамент прикладывают нагрузку как от будущего здания и ведут наблюдения за сжатием грунта основания. Так определяют реальную несущую способность грунта и осадку будущего здания.
Опытные здания . Количественную оценку просадочных свойств лессов дают по данным лабораторных и полевых испытаний грунтов. В реальных условиях под возведенными зданиями в натуральную величину лессовое основание насыщают водой и проводят наблюдения за характером развития процесса, определяют значения просадок и оценивают состояние конструкций здания. Аналогичные опытные работы выполняют и при оценке динамических воздействий на конструкции зданий и основания.
Обработка результатов исследований грунтов . Оценку свойств массивов грунтов проводят на основе физико-механических характеристик в результате лабораторных исследований отдельных образцов грунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем местам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания грунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистически обработать с целью получения усредненных значений и последующего использования в расчетах оснований.
Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях проводят для оценки развития неблагоприятных геологических процессов (карста, оползней и др.), режима подземных вод и температурного режима На выбранных характерных участках для наблюдений устанавливают сеть реперов и ведут инструментальные наблюдения за их перемещением и т. д. Измерения выполняют в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в периодих проектирования. Продолжительность работ – до 1 года и более.