Як відомо, під дією тиску ґрунт деформується. Характер і величина деформації залежать від природи ґрунту, способу навантаження та граничних умов деформування ґрунту. Деформаційні властивості ґрунтів визначають такі основні природні фактори: 1) структура та текстура; 2) склад та концентрація порового розчину; 3) хіміко-мінералогічний склад скелета ґрунту; 4) температура довкілля. Вплив тих чи інших природних чинників деформируемость грунтів залежить головним чином структури грунту, тобто. від дисперсності, щільності та розташування частинок у просторі та зв'язків між частинками. Залежно від способу навантаження грунту розрізняють деформації при статичному (ступінчастому), ударному та динамічному способах застосування тиску. Найчастіше деформаційні властивості ґрунтів підстав споруд визначають при статичному навантаженні. В особливих випадках деформаційні властивості ґрунтів визначають при дії ударного навантаження (трамбування, вибух і т.п.), при вібрації, а також при дії гідростатичного, переважно негативного (капілярного) тиску, що виникає при водозниженні в дисперсних ґрунтах.
Деформаційні властивості дисперсних ґрунтів визначаються їх стисливістю під навантаженням, обумовленим усуненням частинок щодо один одного і відповідно зменшенням обсягу пір, внаслідок деформації частинок породи, води, газу. При визначенні стисливості ґрунтів розрізняють показники, що характеризують залежність кінцевої деформації від навантаження та зміна деформації ґрунту у часі при постійному навантаженні. До першої характеристики показників відносяться коефіцієнт ущільнення, коефіцієнт компресії, модуль осідання, до другої - коефіцієнт консолідації.
Деформаційні властивості ґрунтів визначають як у лабораторних умовах на зразках з порушеними чи непорушеними структурними зв'язками, так і в польових умовах. Лабораторні випробування до теперішнього часу є основним методом вивчення властивостей ґрунтів, оскільки дозволяють порівняно просто передавати різні тиски на ґрунт, досліджувати поведінку ґрунту в широких діапазонах зміни фізичного стану та умов навколишнього середовища, моделювати складні випадки роботи ґрунту в основі чи тілі споруд. Польові методи випробування дозволяють більш правильно відобразити вплив текстурних особливостей ґрунту на його деформованість.
Для дослідження стисливості ґрунтів у польових умовах застосовують пресіометр - прилад, заснований на обтисканні та вимірі деформації ґрунту, що знаходиться в стінках необсадженої свердловини, та визначенні модуля стисливості.
20. До основних характеристик міцності грунтіввідносяться: опір зсуву ґрунту по ґрунту та по поверхнях змерзання; опір стиску, розтягуванню; зчеплення та кут внутрішнього тертя, еквівалентне зчеплення.
Розрізняють простий і складний напружені стани в ґрунті.
Просте напружене стан відповідає прояву однієї з видів напруг: стискування, розтягування, зсуву. Напружений стан у масиві грунту відповідає складному напруженому стану, коли виявляються одночасно при різному поєднанні всі види простих напружених станів.
Вони дозволяють прогн-ти опади споруд, визначати стійкість порід у тому підставі, а при конструюванні фундаментів гранично використовувати несучі здатність грунтів. Показниками, що виражають опір порід зсуву, дають можливість проектувати закладення укосів гребель, насипів, дамб, бортів кар'єрів з мінімальним обсягом земляних робіт, визначати стійкість схилів і зсувів, визначати рац-е перетин і стійкість різних споруд у т.ч. бетонних гребель. Стисненняпороди називають її здатність до зменшення обсягу під впливом навантаження При стисканні породи вертикальним навантаженням в умовах вільного бічного розширення при одновісному стисканні відносною деформацією (е) називають відношення величини абсолютного зменшення навантаженого зразка (Δh) до його початкової висоти (h 0) е=Δh/h 0 Залежність між напругою (δ) та величиною віднос-й деформації (е) при навантаженнях менше межі пропор-сти визначається виразом: δ=Ее (Е - модуль пружності).
Опір зрушенню. Міцні властивості порідвизначаються низкою показників, які стосуються категорії прямих розрахункових показників. Міцність порід характеризується здатністю чинити опір зрушуючим зусиллям (опір до зсуву). Зрушенням називається процес деформації та руйнування породи внаслідок усунення однієї її частини щодо іншої. Зрушення по даному майданчику викликається дотичною напругою до неї. Опір зсуву залежить від величини вертикального навантаження, прикладеного до зразка. Міцність порід оцінюється в основному за теорією Мора, згідно з якою руйнування тіла відбувається при певному граничному співвідношенні нормальних і дотичних напружень.
Визначення міцнісних та деформаційних характеристик виконуються як у лабораторних, так і в польових умовах, при простому та складному напруженому станах. Основними видами випробувань є: одновісний стиск; розрив; зсув; кручення; компресія; осесиметричне тривісне стиснення вертикальним і радіальним навантаженням; осесиметричне тривісне стиснення з крученням; осесиметричне стиск порожнистого циліндра з крученням; тривісне стиск із незалежним завданням всіх трьох головних напрямів; динамометричне випробування у релаксаційно-повзучому режимі.
21. Реол. св-ва ґрунтів.При інженерно-геологічній оцінці порід ці властивості мають дуже важливе значення. Однак роль кожного з них при цьому неоднакова, що залежить від складу пород.1) Водостійкість. Визначення водостійкості найбільш важливо в оцінці глинистих порід, які під впливом води втрачають зв'язність і змінюють консистенцію чи розмокають і розпадаються. Швидкість і характер розмокання характеризують водостійкість. Зміна властивостей глинистих порід відбувається при зволоженні. Висихання вологих глинистих порід іноді супроводжується їх розтріскуванням, зміною монолітності, зменшенням обсягу (усадкою). Вода, впливаючи на породи, може також розчиняти, вилуговувати водорозчинні частини і тим самим змінювати їх властивості. 2) Вологоємність. Під вологоємністю породи розуміється її здатність вміщувати і утримувати певну кількість води. Відповідно до цього розрізняють породи: вологоємні (глини, суглинки), середньовологомісткі (скпеси, піски м/з, с/з, пилуваті) і невлагоємкі (піски с/з, к/з, гравій тощо). Стосовно пород невлагоемким слід говорити про їхню водоємність. У вологоємних порід розрізняють повну, капілярну та молекулярну вологоємність. Повна вологоємність повне насичення породи водою, тобто. заповнення всіх її пір. Порівнюючи природну вологість породи з вологістю, що відповідає повній вологоємності, судять про рівень її водонасичення. Капілярна вологоємність відповідає не повне насичення породи водою, а таке, коли водою заповнені тільки капілярні пори. Під молекулярною вологоємністю розуміється здатність порід утримувати певну кількість фізично пов'язаної води. Максимальна кількість фізично пов'язаної води, яку може утримати порода на поверхні своїх частинок, називається максимальною молекулярною вологоємністю. З піщаних порід насичених водою не вся вода може витікати вільно, а лише та частина, яка підкоряється силі тяжіння. Здатність піщаних та інших уламкових порід, насичених водою, віддавати її шляхом вільного стікання, характеризує їхню водовіддачу. Таку здатність мають невологоємні породи. Водовіддача порід приблизно дорівнює різниці між повною їх вологоємністю (W п) і максимальною молекулярною: W відд = W п -W м Характеристика водовіддачі порід має важливе значення при вирішенні багатьох практичних питань, наприклад при проектуванні дренажів, приток води в котлован і т.д . 3) Капілярність. При значному підвищенні вологості піщаних та особливо глинистих порід знижуються їх будівельні якості. Зволоження води може бути зумовлене інфільтрацією води з поверхні землі або надходженням її знизу з будь-якого водоносного горизонту під впливом напору капілярних сил. Капілярні сили утворюють капілярну зону над рівнем ґрунтових вод, у межах якої спостерігається підвищене зволоження або насичення порід. При інтенсивному випаровуванні капілярних вод відбувається засолення ґрунтів, утворення солончаків. Відомо, що максимальна висота капілярного підняття в т/з та м/з пісках може досягати 1,5-2,0 м, у глинистих породах 3-4 м. У крупнозернистих породах вона мала і практичного значення не має. 4) Водопроникність. До основних водних властивостей порід належить водопроникність, тобто. здатність пропускати крізь себе воду під впливом напору. Дані, що характеризують водопроникність пухких уламкових і глинистих порід, має широке застосування в практиці для визначення приток у будівельні котловани, підземні виробки, способів осушення і т.д. Водопроникність пісків, галечників та ін. пухких відкладень залежить від їхньої пористості та шпаруватості. Глинисті породи при невеликих напорах дуже проникні, т.к. розмір часу в них малий. Рух води та інших рідин через пористі середовища (породи) називається фільтрацією. Отже, водопроникність піщаних та глинистих порід – це їхня фільтраційна здатність. Мірою водопровідності гірських порід є коефіцієнт фільтрації. В інженерно-геологічній практиці користуються головним чином швидкісним виразом коефіцієнта фільтрації, виходячи з рівняння v = K ф I (k). Якщо I=1, то v=K ф м/сут, см/сут.
У глинистих породах ефективна пористість завжди значно менша за загальну пористість і часто дорівнює нулю, т.к. поровий простір значною мірою зайнятий фізично зв'язковою водою.
22. Релаксація.При навантаженні постійною силою F виникають деформації,
що розвиваються у часі. Для припинення розвитку цих деформацій необхідно зменшувати силу за деяким законом F(t). З позиції статистичної фізики релаксацію можна розглядати як процес встановлення статистичної рівноваги у фізичній системі, коли мікроскопічні величини, що характеризують стан системи (напруги), асимптотично наближаються до своїх рівноважних значень. Характеристика явища розслаблення напруг є час релаксації, рівне часу за яке напруга зменшується в e раз, яке характеризує тривалість «осідлого життя» молекул, тобто визначає рухливість матеріалу. Час релаксації по-різному у різних тіл. Для скельних ґрунтів час релаксації змінюється сотнями та тисячами років, ДЛЯ скла – БІЛЯ ста років, а для води – 10-11 с. Наприклад, гірські породи, що формують земну кору, володіють часом релаксації виміряним тисячоліттями, у повітря 10-10, у води 10-11, у льоду сотні секунд. Якщо тривалість дії сил на ґрунт менша від періоду релаксації, то розвиватимуться в основному пружні деформації.
Таким чином, у межах 100-1000 секунд лід поводиться як пружне тіло (наприклад, тендітно руйнується при ударі в умови великого навантаження). При зменшенні навантаження лід тече як в'язка рідина. Аналогічна поведінка - тендітна руйнація при швидкому додатку навантаження і в'язкий перебіг при тривалому впливі навантаження - виразно проявляється у мерзлих ґрунтів.
Якщо ж час дії сили на ґрунт перевищує час релаксації, то у ґрунті виникають незворотні деформації повзучості та течії. Іншими словами, залежно від відношення часу дії сили до часу релаксації тіло поводитиметься як тверде або рідке. Період релаксації є "основною константою, що поєднує властивості твердих і рідких тіл. Величина часу релаксації може бути визначена з відношення в'язкості г| до модуля пружності (зсуву): Для твердоподібних тіл, до яких відносяться дисперсні та скельні грунти, характерна наявність граничної напруги зсуву Х , званого межею плинності і збігається з межею пружності
23-24. Основні фізико-хімічні властивості ґрунтів . До цих властивостей відносяться властивості, що виявляються в результаті фізико-хімічної взаємодії між компонентами ґрунтів. До них відносяться корозійні властивості ґрунтів, дифузійні, осмотичні, адсорбційні, а також липкість, пластичність, набухання, розмокання, усадка та інші властивості порід. Корозійні властивості: корозією називається процес руйнування матеріалів внаслідок їх хімічних, електро – хімічних або біо – хімічних взаємодій із навколишнім середовищем. Підземна корозія виявляється у руйнуванні будівельних металевих матеріалів, споруд та трубопроводів за її взаємодії з грунтами. Основними причинами підземної корозії є: 1) вплив ґрунтової вологи на металеву конструкцію; 2) явище електролізу. Ці явища виникають навколо трубопроводу, а також на ділянках, де використовують трамвайний та залізнично-дорожній рух. Подібне руйнування виникає в ґрунтах, внаслідок впливу блукаючих електричних струмів на воду – сольовий розчин у порах ґрунту, який внаслідок такої взаємодії стане агресивним електролітом CISO4; 3) дії мікроорганізмів, що знаходяться в ґрунтах, що викликають біокорозію. Загалом корозія ґрунтів залежить від багатьох факторів. До основних відносяться хімічний склад ґрунтів і в першу чергу склад і кількість розчинених солей, а також вологість ґрунтів, вміст у них газів, структури ґрунтів, їх електропровідність та наявність бактерій. Дифузія (від лат. Diffusion - поширення, розтікання, розсіювання), рух частинок середовища, що призводить до перенесення речовини і вирівнювання концентрацій або встановлення рівноважного розподілу концентрацій частинок даного сорту в середовищі. Осмос (від грец. Osmos – поштовх, тиск), одностороннє перенесення розчинника через напівпроникну перегородку (мембрану), що відокремлює розчин від чистого розчинника або розчину меншої концентрації. Дифузія та осмос веде до перерозподілу іонів речовини та молекул води та найбільш речовинно проявляються у глинистих ґрунтах. Осмос у глинах може викликати деформації набухання чи усадки. Наприклад, якщо помістити засолений глинистий ґрунт у прісну воду, то відбудеться осмотичне всмоктування води і як наслідок набухання ґрунту. На практиці таке набухання може відбуватися у різних каналах, прокладених у засолених ґрунтах після їх затоплення прісною водою. Якщо буде місце зворотне співвідношення концентрацій, тобто розчин у ґрунтах буде більш прісний, ніж у каналі, то відбудеться осмотичний відсмоктування води з ґрунтів в результаті їх усадки. Адсорбція грунтів називається їх здатність поглинати з розчинів, що проходять, певні частинки або елементи речовини. Існують кілька видів адсорбцій: механічна (затримування частки з допомогою зміни часу); фізична (за рахунок молекул взаємодіючих між частинками з розчину та поверхневих пор); хімічна (за рахунок хімічних взаємодій); біологічна (за рахунок дії рослин та різних мікроорганізмів). Окремі види адсорбції можуть виявлятися спільно (фізико-хімічна адсорбція).
25. Усадка ґрунту . Усадкою ґрунту називається зменшення його обсягу в результаті видалення води при висиханні або під впливом фізико-хімічних процесів (осмос та ін.). В результаті усадки ґрунт стає щільнішим і після висихання - навіть твердим. Ущільнення глинистого ґрунту при усадці збільшує його опір деформаціям, але наявність тріщин, що зазвичай супроводжують усадку, підвищує водопроникність та зменшує стійкість поверхневого шару ґрунту у схилах. В умовах сухого та жаркого клімату усадкові тріщини розбивають масив глинистого ґрунту на глибину до 7-8 м і більше. У максимальному ступені усадка проявляється в глинах; іншим зв'язним породам вона властива менше.
Липкість ґрунту проявляється при вологості, більшій, ніж Wm; найбільшого значення вона досягає у глинистих ґрунтів. Липкість глин зростає зі збільшенням зовнішнього тиску та зменшенням вологості, її максимальне значення у більшості випадків досягається за максимальної молекулярної вологоємності. Липкість грунту залежить від категорій води, що міститься в грунті, особливостей його хіміко-мінеральної частини, площі контакту грунту з предметом та ін. Тому липкість ґрунту є одним із факторів, що визначають умови роботи ковшів, дорожніх та ґрунтообробних машин. Прилипання ґрунту до поверхні землерийних і транспортних машин і механізмів викликає зниження їхньої продуктивності при виконанні розкривних робіт на кар'єрах, при розробці котлованів і т.д.
Водоміцність- це здатність ґрунтів зберігати механічну міцність та стійкість при взаємодії з водою. Взаємодія порід з водою може бути статичним та динамічним: вплив спокійної води викликає явища набухання та розмокання, гідродинамічний вплив – процес розмиву.
Розмокання- це здатність глинистих порід при вбиранні води втрачати зв'язність і перетворюватися на пухку масу з частковою або повною втратою несучої здатності. Інтенсивність процесу розмокання залежить від характеру структурних зв'язків, складу та стану ґрунтів. Швидкість та інтенсивність розмиву залежать як від характеру водного впливу, так і від реакції породи на цю дію - розмивається. Різка зміна водоміцності (наприклад, в результаті вивітрювання) може призвести до значного зниження несучої здатності ґрунтів основ споруд та виникнення обвальних та зсувних явищ у бортах будівельних котлованів та глибоких кар'єрів.
Розмиваєтьсянайчастіше оцінюється коефіцієнтом опірності гірських порід розмиву.
Пластичністьґрунтів називається здатність їх змінювати свою форму (деформуватися) без розриву суцільності в результаті зовнішнього впливу та зберігати отриману при деформації нову форму після того, як зовнішня дія припиняється. Пластичні властивості грунтів тісно пов'язані з вологістю і змінюються в залежності від кількості та якості води, що знаходиться в грунті. Перехід глинистої породи з однієї форми консистенції в іншу відбувається за певних значень вологості, які отримали назву характерних вологостей або меж. В інженерно-геологічній практиці найбільшого поширення набули верхній та нижній межі пластичності. Межі пластичності та кількість пластичності широко використовуються при класифікації глинистих ґрунтів, визначенні розрахункових опорів ґрунтів та приблизній оцінці стійкості ґрунтів у котлованах, виїмках тощо.
Набуханнямґрунту називається збільшення його обсягу при взаємодії з водою. Набухання ґрунтів часто спостерігається при проходженні котлованів і виїмок і призводить до деформації кріплення, полотна доріг, фундаментів та ін. Для визначення набухання запропоновано кілька способів, які можуть бути об'єднані в п'ять груп, що ґрунтуються на оцінці набухання: 1) по теплоті набухання; 2) по тиску набухання; 3) за обсягом осаду, седиментованого в рідині; 4) за кількістю (обсягом або вагою) води, що викликала набухання; 5) за приростом обсягу ґрунту при набуханні.
Найбільшого поширення у практиці інженерно-геологічних робіт отримав спосіб вивчення набухання з приросту обсягу ґрунту у процесі насичення його водою (у тому вигляді, як він розроблений А. М. Васильєвим).
26. Рух води та інших рідин через пористі середовища (породи) називається фільтрацією. Отже, водопроникність піщаних та глинистих порід – це їхня фільтраційна здатність. Мірою водопровідності гірських порід є коефіцієнт фільтрації. В інженерно-геологічній практиці користуються головним чином швидкісним виразом коефіцієнта фільтрації, виходячи з рівняння v = K ф I (k). Якщо I=1, то v=K ф м/сут, см/сут. Швидкість руху води через пористі середовища (гірські породи) прямо пропорційна гідравлічному градієнту, тобто. відношенню діючого натиску до довжини шляху фільтрації. Це найважливіший закон водопроникності піщаних та глинистих порід – закон ламінарної фільтрації.
Швидкість руху води визначається також рівнянням: v=Q/F (Q – кількість води, що фільтрується через породу, м 3 ; F – площа поперечного перерізу, м 2 , через яке фільтрується вода). Так як рух води відбувається тільки по порах, то дійсна швидкість фільтрації (виходячи з меншої площі дійсного перерізу породи) більша. Справжній коефіцієнт фільтрації: K фд = K ф / n (n - пористість). Дійсний коефіцієнт фільтр-і іноді називається коефіцієнтом швидкості фільтрації. У піщаних породах До фд завжди більше коефіцієнта фільтрації, опред-го безпосередньо в лаб-их усл-ях. У глинистих породах ефективна пористість завжди значно менша за загальну пористість і часто дорівнює нулю, т.к. поровий простір значною мірою зайнятий фізично зв'язковою водою. У будівництві фільтраційні властивості ґрунту (його водопроникність) пов'язані: 1. З інженерними завданнями (фільтрація берегів у результаті будівництва гребель). 2. З питаннями тимчасового зниження рівня ґрунтових вод (У.Г.В.) для осушення котлованів. Лабораторний прилад для визначення фільтраційних властивостей грунтів є посудиною з пористим днищем (див. схему), в який міститься пісок. Зверху заливається вода та вимірюється її витрата (фільтрація через зразок піску) з різними інтервалами часу. Якщо в глинистому грунті створюється гідравлічний градієнт менший від початкової величини, фільтрації в грунті немає і такий грунт є водоупором. Філ-ні хар-ки грунтів застосовуються при: 1.Расчете дренажу. 2.Визначення дебіту джерела підземного водопостачання. 3.Розрахуйте осад споруд (підстав) у часі. 4.Штучне зниження У.Г.В. 5.Расчете шпунтового огородження при відкопуванні котлованів, траншей.
Відзначимо ряд особливостей, хар-х для вічномерзлих ґрунтів після їх розморожування:
Максимальні значення водопроникності відзначені в зонах тектонічного дроблення, причому згасання з глибиною не спостерігається, що пояснюється великим вмістом льоду, спричиненого розпучуванням дисперсного заповнювача. Після витаювання льоду утворюються потужні фільтраційні ходи.
Водопроник-ть вічномерзлих ґрунтів після їх відтавання зазвичай змінна в часі, оскільки знаходиться під впливом двох протиборств-х факторів. З одного боку, порожнечі, щойно утворилися в розпученому масиві після витаювання льоду, прагнуть закриття під дією ваги вищих грунтів або навантажень від споруд, внаслідок чого водопро-ть повинна зменшуватися. З іншого боку, тонкодисперсний заповнювач, який після витаювання льоду не має структури, забезпеч-й його фільтр-ю міцність, здатний розмиватися філ-ним потоком. Це спричиняє збільшення водопр-сти порід. Фільтр-ю здатність вічномерзлих порід оцінюють за результатами дослідних робіт на попередньо відтанутих ділянках або непрямими методами. До косв-м методів оцінки водопр-сті вічномерзлих ґрунтів відносяться: розрахункові; порівняння залежностей показників водопрон-сті від тріщинуватості для талих і мерзлих ґрунтів; повітряного випробування свердловин; геофізичні. Всі ці методи мають оцінний характер.
Механічні властивості ґрунтів Міцні та деформаційні властивості ГОСТ 12248 -96 МЕТОДИ ЛАБОРАТОРНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК МІЦНОСТІ І ДЕФОРМУЄМОСТІ
Визначення Механічні або деформаційні та міцнісні властивості ґрунту характеризують його поведінку під впливом зовнішнього навантаження.
Стисливість-здатність ґрунтів зменшувати об'єм під дією тиску. У дисперсних глинистих ґрунтах стисливість відбувається в основному за рахунок віджиму з пористого простору води та газів. Стискання пісків відбувається внаслідок змін структури скелетаперекомпанування частинок. У скельних ґрунтах-за рахунок пружної деформації скелета
Характеристики стискання До характеристик стисливості або до деформаційних властивостей відносять: u Модуль деформації u Коефіцієнт Пуассона u Коефіцієнт стисливості u Коефіцієнти консолідації u Коефіцієнт переущільнення
Напруги є внутрішні сили (тиск), що у тілі як реакція на впливу зовнішнього навантаження.
Повна та ефективна напруга Напруги, що виникають у водонасичених ґрунтах, визначаються двома факторами-силами, що виникають на контактах між мінеральними частинками (у скелеті ґрунту), і тиском, що створюється водою, що віджимається з пір. Ефективна напруга (ГОСТ 12248 -96) напруга, що діє в скелеті ґрунту, що визначається як різниця між повною напругою у зразку ґрунту і тиском у поровій рідині. Здається, уявне, нейтральне та ін.
Повні та ефективні напруги Розглядаючи грунт як двох фазну систему, що складається з кістяка - мінеральних частинок і порової води, введемо поняття: u Рz - ефективний тиск, тиск у кістяку грунту (ущільнює та зміцнює грунт). u Рw – нейтральний тиск, тиск у поровій воді (створює напір у воді, викликаючи її фільтрацію). У будь-який момент часу повністю водонасиченої ґрунтової масі має місце співвідношення: Р = Рz + Рw , де Р - повний тиск. Ефективна напруга визначається, при цьому, як: Рz = Р - Рw (за Алексєєвим С. І., 2007)
Рw-тиск, створюване водою, що віджимається з порового простору ґрунту при деформації. Цей тиск викликає напруги, які називаються «мінімими». u З часом уявні напруги поступово релаксуються (розслаблюються). У піщаних ґрунтах процес релаксації протікає швидко (іноді миттєво), у глинистих – значно повільніше. u Причиною цієї різниці є відмінність у швидкості та характері фільтрації води під дією навантаження. u
Консолідація ґрунту при стиску У загальному випадку додатку зовнішнього навантаження до водонасиченого ґрунту спочатку виникає стиск, обумовлений пружними деформаціями порової води та скелета ґрунту. Потім починається процес фільтраційної консолідації, обумовлений вичавлюванням води з пір грунту. u По завершенні фільтраційної починається процес вторинної консолідації ґрунту, що визначається повільним зміщенням частинок щодо друга в умовах незначного відтискання води з пір ґрунту. Первинна консолідація - це фільтраційна консолідація, вторинна консолідація обумовлена повзучістю. u
Теорія фільтраційної конослідації Основне положення теорії фільтраційної консолідації Ущільнення дисперсного водонасиченого грунту відбувається за рахунок відтискання з нього води при стисканні пористого простору Яка напруга викликає консолідацію грунту? Тільки ефективні, тобто передаються на скелет ґрунту. Нейтральний тиск на стиск грунту не впливає.
Рівняння Павловського-основа теорії фільтраційної консолідації u Це рівняння для одновимірного випадку має вигляд u де q - одиничний витрата води, що фільтрується (швидкість), м/с; n - пористість ґрунту; z координата (вздовж осі z відбувається фільтрація), м; t – час, с.
Для просторової задачі воно має вигляд u де c. V – коефіцієнт консолідації; - Рпорпоровий тиск
Коефіцієнт консолідації Сv має розмірність м2/с. Він свідчить про швидкість проходження процесу консолідації - що більше коефіцієнт консолідації, то швидше вона проходить.
Фільтрування в пісках та глинах Фільтрування відбувається за рахунок різниці напорів або завдяки наявності фільтраційного градієнта.
Початковий градієнт У глинистих ґрунтах вільна вода, протягом якої підкоряється силі тяжіння відсутня. Вода в глинистих ґрунтах міститься в дуже дрібних, часто закнутих порах і не може фільтруватися сама по собі. Для того, щоб у глинистому ґрунті почалася фільтрація до нього необхідно додати деякий додатковий тиск, що створює певний градієнт, який називається початковим градієнтом. Початковий градієнт фільтрації (i 0) величина градієнта фільтрації в глинистих ґрунтах, при якому починається практично відчутна фільтрація
Закон Дарсі: Vпот= Кф * i, Vпот- швидкість потоку i- градієнт напорів Кф- к-т фільтрації Закон Дарсі з урахуванням початкового градієнта фільтрації виражається таким чином: Vпот= Кф * (i-i 0) при i>i 0, Vпот= 0 при i
Повзучість (за ГОСТУ) u Повзучість - розвиток деформацій ґрунту в часі при незмінному напрузі. u Стадія незатухаючої (не встановленої) повзучості процес деформування грунту з постійною або швидкістю, що збільшується, при незмінному напрузі
Деформації заснування Ісакієвського собору (за Дашком та ін.) – наслідок повзучості http://georec. narod. ru/mag/2002 n 5/7/7. htm Надійний грунт, що слабо стискається Слабкий сильно стисливий грунт (повзучий грунт) Надійний грунт, що слабо стискається,
Теорія пружності. Закон Гука. Пружна деформація стиснення та/або розтягування прямопропорційна напрузі: ε = Рх/Е, де ε – відносна деформація Рх – напруга (тиск), МПа Е-модуль Юнга, МПа
Фізичний зміст модуля Юнга Модуль Юнга (Е, Мпа) - відображає пропорцію між відносною лінійною деформацією напругою. Він визначається складом та властивостями матеріалу (у нашому випадку ґрунтів) та змінюється в залежності від складу та властивостей останніх. Не залежить від величини стискаючої напруги.
Пружні деформації Пружна деформація - відносна зміна розміру та форми тіла під впливом зовнішнього навантаження. Після зняття навантаження форма та розміри відновлюються.
Пружні деформації За спрямованістю деформації поділяються на поздовжні (щодо напряму прикладеного навантаження) та поперечні. Відносна поздовжня деформація: x= (h 1 -h 2)/h 1 Відносна поперечна деформація: y= (S 2 -S 1)/S 1
Коефіцієнт Пуассона () Коефіцієнт Пуассона – відношення відносних лінійних деформацій тіла у напрямку, поперечному дії навантаження до відносної лінійної деформації в поздовжньому напрямку: = ε y/ε x
Коефіцієнт стисливості () та модуль об'ємної деформації (К) пружних тіл u Для випадку всебічного рівномірного стиснення твердого тіла закон Гука набуває вигляду: де p=(pх+py+pz)/3. Величину р називають середньою нормальною напругою.
Коефіцієнт стисливості (m 0) і модуль об'ємної деформації (К) пружних тіл u Виходячи з попереднього можна знайти вираз для коефіцієнта стисливості або зворотної йому величини - модуля об'ємної деформації До пружного середовища: Не залежить від величини напруги, що стискає.
Компресійні випробування u 5. 4. 1. 1 Випробування ґрунту методом компресійного стиску проводять для визначення наступних характеристик деформованості: коефіцієнта стисливості mo, модуля деформації E, к-та консолідації. . . u 5. 4. 1. 2 Ці характеристики визначають за результатами випробувань зразків ґрунту в компресійних приладах (одометрах) ..., що виключають можливість бічного розширення зразка ґрунту при його навантаженні вертикальним навантаженням.
Деформації При стисканні в компресійному приладі відбувається зменшення об'єму і (насамперед) зменшення об'єму пористого простору (і, отже, пористості). Це дозволяє висловити об'ємну деформацію через зміни значень к-та пористості е.
Грунт не є ідеально-пружним тілом. У глинистих ґрунтах, поряд із пружними, виявляються й пластичні деформації, що порушує лінійний характер залежності між напругою та деформацією.
Компресійна крива- гіперболічний графік залежності навантажень і коефіцієнта пористості е Коефіцієнт пористості (функція об'єму-деформації) е 0 i ступінь навантаження e 1 e 2 i+1 ступінь навантаження Прямолінійний відрізок Р, МПа Рs P 1 P 2 вертикальний тиск е 0 - початковий значення до-та пористості, Рs мінімальний тиск, при якому починається помітна деформація
Коефіцієнт поперечної деформації β-коефіцієнт, що враховує відсутність поперечного розширення ґрунту в компресійному приладі β=1 - (2 2/(1 -)) Коефіцієнт (коефіцієнт Пуассона) визначається за даними тривісних випробувань. Якщо цих даних немає, його значення приймається рівними: - Для пісків і супісків: 0. 30 -0. 35 - Для твердих суглинків та глин: 0. 2 -0. 3 - Для напівтвердих суглинків та глин: 0. 30 -0. 38 - Для туго-плинних суглинків і глин: 0. 38 -0. 45
Модуль деформації (Е, МПа) - коефіцієнт пропорційності лінійного зв'язку між збільшенням тиску на зразок та його об'ємною деформацією. За своєю природою він аналогічний модулю об'ємної деформації (К) у законі Гука, але залежить від величини напруги, що стискає. При визначенні Е об'ємна деформація V приблизно відповідає змінам коефіцієнта пористості е на відповідних щаблях деформації: V е
Відносна стисливість на i-тому ступені Коефіцієнт відносної стисливості (відносної вертикальної деформації) на i-тому ступені навантаження визначається як відношення величини висоти, на яку змінився зразок від даного навантаження до початкової висоті зразка, що стискається: εi = Δhi/h
Розрахунок коефіцієнта пористості на i-му ступені навантаження К-т пористості на i-му ступені навантаження обчислюється як: е 0 - початковий (вихідний) до-т пористості еi- до-т пористості на i-тому ступені навантаження i- відносна стисливість при i-того ступеня навантаження
Розрахунок модуля деформації Відповідно до ГОСТ 12248 -96 модуль загальної деформації Е обчислюється за формулами: Еi-(i+1)= ((Рi – Pi+1)/(еi – еi+1))*β Або Еi-(i +1)= ((1+ео)/mo)*β ео-коефіцієнт пористості природного грунту е- значення к-та пористості на I та i+1 ступенях навантаження mo-к-т стисливості β-к-т бічного розширення
Навантаження та стисливість Навантаження або питомий тиск від багатьох типів споруд (блокові п'ятиповерхівки, земляні насипи висотою близько 10 м та ін) знаходяться в діапазоні від 200 до 300 KПа. Виходячи з цього ґрунти за показником стисливості в діапазоні тисків 200300 KПа можуть класифікуватися на: u mo mo >1/10 МПа- середньостиснені u mo >1/10 МПа- слабостискаючі
Коефіцієнт консолідації u. Коефіцієнт фільтраційної с. V і вторинної з консолідації - показники, що характеризують швидкість деформації ґрунту при постійному тиску за рахунок фільтрації води (с. V) та повзучості ґрунту з
Коефіцієнт консолідації Коефіцієнти консолідації використовуються з метою оцінки швидкості розвитку осадки. Сv-см 2/хв, година, рік С-см 2/хв, год, рік Ці к-ти визначаються графоаналітичним методом за компресійною кривою (Додаток Н, ГОСТ 12248-96) або за спеціальними випробуваннями в компресійному приладі.
Побутовий тиск Побутовий (літостатичний чи природний чи гірський чи ін.) тиск (Рб) визначається як: Рб= *H H-глибина, м - питома вага (МН/м 3)
Питома вага ґрунту з урахуванням зважуючої дії води (для водонасичених ґрунтів) визначається за формулою u = (s - w)/(1 + e), де: u s – питома вага частинок ґрунту обчислюється: u s = s * g де: u s – густина частинок ґрунту т/м 3 u g – прискорення вільного падіння = 9, 81 м/с2 u w – питома вага води = 0,01 МН/м 3 u e – коефіцієнт пористості (безрозмірна) u
Епюра вертикальних напруг Масиви ґрунтів в умовах природного залягання перебувають у напруженому стані, обумовленому тиском від шарів ґрунту. В умовах, коли відсутня можливість бічного випирання вертикальна напруга зростає з глибиною: бz = ∑ gi * i * hi, i-кількість шарів, g-прискорення сили тяжіння, i- питома вага i-го шару, hi-глибина покрівлі (підошви) i- го шару.
Визначення ГОСТ 30416 -96 Стабілізований стан ґрунту, що характеризується закінченням деформацій ущільнення під певним навантаженням та відсутністю надлишкового тиску в поровій рідині. u Нестабілізований стан ґрунту, що характеризується незавершеністю деформацій ущільнення під певним навантаженням та наявністю надлишкового тиску в поровій рідині. u
Грунти, стисливість яких нижче, ніж очікувана при даному побутовому тиску, називаються переущільненими. Переущільнення є наслідком стиснення ґрунтів у глибині товщі та подальшим їх виходом до поверхні внаслідок розмиву вищележачих відкладень, результатом стиснення під тиском стародавніх льодовиків тощо. Характеризуються низькою стисливістю, іноді набухають. Загалом є надійними основами.
Грунти, стисливість яких вища, ніж очікувана при даному побутовому тиску, називаються недоущільненими. Вони утворюються в результаті дуже швидкого накопичення (лавинна седиментація) та ін. Типові недоущільнені ґрунти це леси, а також морські та алювіально-морські мули, сапропелі, торф. Характеризуються наявністю надлишкового порового тиску, що перевищує гідростатичний; високою стисливістю; нестійкістю при динамічному навантаженні, загалом є дуже ненадійними основами.
Переущільнення та недоущільнення I- інтервал навантажень, що не перевищують побутового тиску II- інтервал навантажень, що перевищують побутовий тиск е Рs- максимальний побутовий тиск, що мав місце за геологічну історію (тиск передущільнення) Для переущільнених ґрунтів: Рs>P
К-т переущільнення Для оцінки ущільненості ґрунту використовується к-т переущільнення КПУ. За значеннями КПУ грунти можна класифікувати: недоущільнені КПУ 4.
К-т переущільнення КПУ обчислюється як: КПУ = Ps / Pб, де: u Ps - тиск передущільнення, МПа u Pб - сучасний побутовий тиск, МПа
К-т переущільнення Недоущільнені ґрунти схильні до просідання під дією власної ваги. При цьому вони відрізняються низькою міцністю, високою стисливістю та нестійкістю при динамічних навантаженнях. Загалом є ненадійними підставами. u Переущільнені ґрунти мають високу міцність, низьку стисливість, можуть набухати. При КПУ>6 к-т бічного тиску ґрунту може перевищувати 2, що необхідно враховувати під час проектування підземних споруд. Загалом є надійними основами. u
Міцність міцності грунтів при зсуві обумовлена зчепленням (наявністю структурних зв'язків) і тертям між частинками. Структурні зв'язки-зв'язок між структурними елементами (частинами, агрегатами кристалами та інших.), у тому числі складаються грунти
Характеристики властивостей міцності С- зчеплення (питоме зчеплення), МПа φ -кут внутрішнього тертя, градуси τ - опір грунту зрізу, МПа R- опір одновісному стиску Su- опір недренованого зсуву, МПа
Структурні зв'язки за ступенем міцності Механічні - тертя між частинками (в пісках, великоуламкових і глинистих грунтах) Водно-колоїдні або коагуляційні (по суті - злипання частинок) - обумовлені електромагнітними (вандервальсівськими - Ван дер Вальс) силами міжмолекулярного тяжіння (глинисті) - виникають за рахунок заповнення пористого простору мінеральною масою, що цементує частинки (напівскальні породи) Кристалізаційні-всередині кристалів і між кристалами (скельні магматичні та метаморфічні породи)
Міцність та руйнування Міцність ґрунтів визначається в основному структурними зв'язками між окремими частинками (кристалами або зернами) та/або агрегатами частинок та кристалічними зростками. Міцність самих елементарних кристалів, частинок чи мінеральних агрегатів має вторинне значення. Руйнування ґрунту настає, коли після досягнення деяких граничних напруг порушуються структурні зв'язки і відбувається незворотне переміщення частинок щодо одного.
Тиск Р від ваги надземної частини споруди та власної ваги фундаменту розсіюється у масиві ґрунту. Равнодіючу R розкладаємо на дві складові і, стискають частинки ґрунту один до одного і зруйнувати їх практично не можуть (частки ґрунту – кварц, польовий шпат і т. д.) руйнування 2000 кгc/см 2 200 Мпа – таких напруг під фундаментом практично не виникає .
u Значить руйнування ґрунту походить від дії дотичних напруг (). Під діями цих напруг частинки ґрунту зміщуються щодо своїх контактів, зерна потрапляють у поровий простір, відбувається процес ущільнення ґрунту із виникненням у деяких областях поверхонь ковзання
Теорія Кулона-Мора Згідно з цією теорією міцність ґрунту визначається співвідношенням між нормальними і дотичними напругами: = σ * tgφ+ С, де - -дотична напруга - σ- Нормальна напруга - С- зчеплення - φ- кут внутрішнього тертя
Фізичний і геометричний зміст C і φ Геометричний сенс (за ГОСТ 30416 -96): u Кут внутрішнього тертя - параметр прямої залежності опору ґрунту зрізу від вертикального тиску, який визначається як кут нахилу цієї прямої до осі абсцис. ü Питоме зчеплення ґрунту - параметр прямої залежності опору ґрунту зрізу від вертикального тиску, що визначається як відрізок, що відсікається цій прямій на осі ординат. Фізичний зміст: u Питоме зчеплення - сила або міцність структурних зв'язків u Кут внутрішнього тертя - сили тертя між частинками Можна виділити дві складові зчеплення: 1 - міцність структурних зв'язків (Cc) 2 - міцність за рахунок тертя (ΣW) - механічні зв'язки
Міцність глинистих ґрунтів У зв'язаних глинистих ґрунтах, що містять піщані частинки, з цементаційними або водно-колоїдними зв'язками міцність визначається як зчепленням, так кутом внутрішнього тертя φ τ = σ * tg φ + C С σ 0
Міцність глинистих ґрунтів У зв'язаних глинистих ґрунтах, що не містять піщаних частинок, з цементаційними або водно-колоїдними зв'язками міцність визначається як зчепленням τ= C З σ 0
Міцність піщаних ґрунтів τ У незв'язаних піщаних ґрунтах міцність в основному визначається кутом внутрішнього тертя, а значення С відносно малі τ = σ * tg φ φ σ
Визначення міцнісних характеристик методом одноплощинного зрізу u u 5. 1. 1. 1 Випробування ґрунту методом одноплощинного зрізу проводять для визначення наступних характеристик міцності: опір ґрунту зрізу τ, кута внутрішнього тертя φ, питомого зчеплення С, для пісків (крім гравистих) та органо-мінеральних ґрунтів. 5. 1. 1. 2 Ці характеристики визначають за результатами випробувань зразків ґрунту в одноплощинних зрізних приладах з фіксованою площиною зрізу шляхом зсуву однієї частини зразка щодо іншої частини дотичного навантаження при одночасному навантаженні зразка навантаженням, нормальної до площини зрізу
Зсувний прилад u Прилад одноплощинного зсуву складається з двох кілець (нижнього та верхнього). Нижнє кільце закріплюється в коробці зсуву нерухомо. Верхнє може переміщатися щодо нижнього.
ПН, КН та КД (за ГОСТ 30416 -96) Консолідовано-дреноване випробування ґрунту для визначення характеристик міцності та деформованості з попереднім ущільненням зразка (в одометрі) та відтисканням з нього води в процесі всього випробування. Консолідовано-недреноване випробування ґрунту для визначення характеристик міцності з попереднім ущільненням зразка та відтисканням з нього води лише у процесі ущільнення. Неконсолідовано-недреноване випробування ґрунту для визначення характеристик міцності без попереднього ущільнення зразка за відсутності відтискання з нього води в процесі випробування.
Опір зрізу Опір ґрунту зрізу характеристика міцності ґрунту, що визначається значенням дотичної напруги, при якому відбувається руйнування (зріз). u Опір ґрунту зрізу (τ, МПа) визначається як величина дотичного навантаження Q, віднесена до площі зрізу А зразка при заданій величині нормального навантаження F. u τ = Q/A, МПа
Чому потрібні щонайменше три точки? τ - опір ґрунту зрізу, МПа Третя точка відіграє коригуючу роль
Схеми зсувних випробувань неконсолідовано-недреноване випробування – для водонасичених глинистих та піщаних ґрунтів-випробування без попереднього ущільнення та без віджиму води; u консолідовано-недреноване випробування – для нестабілізованих глинистих ґрунтів-випробування з попереднім ущільненням (в одометрі) під тиском, еквівалентному побутовому тиску + тиску від споруди та без віджиму води; u консолідовано-дреноване випробування – для стабілізованих глинистих грунтів та пісків-випробування з попереднім ущільненням та з віджиманням води u
Метод одновісного стиску 5. 2. 1. 1 Випробування ґрунту методом одновісного стиску проводять для визначення наступних характеристик міцності: межі міцності на одновісне стиск (R) для скельних напівскельних ґрунтів; опору недренованого зсуву для водонасичених глинистих ґрунтів (Su). 5. 2. 1. 2 Межа міцності на одновісний стиск визначають як відношення прикладеної до зразка вертикального навантаження, при якій відбувається руйнування зразка, до площі його первісного поперечного перерізу.
Трихісний стиск (найбільш передовий метод) 5. 3. 1. 1 Випробування ґрунту методом тривісного стиску проводять для визначення наступних характеристик міцності та деформованості: кута внутрішнього тертя φ, питомого зчеплення С, опору недренованого зсуву Su, модуля деформації Е та коефіцієнт для пісків, глинистих, органомінеральних та органічних ґрунтів. 5. 3. 1. 2 Ці характеристики визначають за результатами випробувань зразків ґрунту в камерах тривісного стиску, що дають можливість бічного розширення зразка ґрунту в умовах тривісного осесиметричного статичного навантаження.
Особливості методу При випробуваннях циліндричний зразок грунту поміщають у гумову оболонку Тиск на зразок створюється робочим поршнем (вертикальне навантаження F) і всебічним тиском води На відміну від компресійного стиску, зсуву та одновісного стиску вимірюється не тільки вертикальна та поздовжня (при зсуві) деформації об'ємна деформація (за рахунок вимірювання об'єму та тиску води в камері)
Трихосние випробування грунтів циклічними навантаженнями Мета даного методу- оцінка міцності при динамічних навантаженнях (землетруси, хвилювання моря, вібрація споруди і т. д.) При цьому методі зразок грунту піддається впливу навантажень стиснення і розтягування, що чергуються. Цикли стиснення та розтягування чергуються з періодом і частотою, що відповідають очікуваному динамічному впливу. Методики випробувань не гостовані.
6. Міцність і деформованість мерзлих ґрунтів Визначаються такими методами: Випробування кульковим штампом u Одноплощинним зрізом по поверхні змерзання u Одновісним стиском u Всі випробування проводяться при негативній зовнішній температурі, яка, в ідеалі, повинна відповідати природній
Що робити якщо деформаційні та міцнісні властивості ґрунтів не визначені і є лише значення фізичних властивостей? 1. 2. Міцні та деформаційні властивості приймаються за матеріалами, отриманими у суміжних районах. Для попередніх розрахунків підстав допускається визначати нормативні та розрахункові значення міцнісних та деформаційних характеристик ґрунтів за їх фізичними характеристиками з Додатка 1 СНі. П 2. 01-83. Підстави та фундаменти.
Нормативні значення питомого зчеплення сn, к. Па (кгс/см 2), кута внутрішнього тертя n, град. , пилувато-глинистих нелесових ґрунтів четвертинних відкладень
Нормативні значення питомого зчеплення сn, к. Па (кгс/см 2), кута внутрішнього тертя n, град. та модуля деформації Е, МПа (кгс/см 2), піщаних ґрунтів четвертинних відкладень
СП 22.13330.2011
Актуалізована редакція СНіП 2.02.04-88
Автор НДІОСП ім.Н.М.Герсеванова
Розділ 5.3. п.:
- Основними параметрами механічних властивостей ґрунтів, що визначають несучу здатність основ та їх деформації, є міцнісні та деформаційні характеристики ґрунтів (кут внутрішнього тертя φ, питоме зчеплення c, межа міцності на одновісне стиск скельних ґрунтів R c, модуль деформації Eі коефіцієнт поперечної деформації ґрунтів). Допускається застосовувати інші параметри, що характеризують взаємодію фундаментів з ґрунтом основи та встановлені дослідним шляхом (питомі сили пучення при промерзанні, коефіцієнти жорсткості основи та ін.).
Примітка - Далі, крім спеціально обумовлених випадків, під терміном " характеристики грунтів " розуміють як механічні, а й фізичні характеристики грунтів, і навіть згадані у цьому пункті параметри.
СП 50-101-2004 "Проектування та влаштування основ
та фундаментів будівель та споруд"
Автор НДІОСП ім. Н.М.Герсеванова, ГУП Мосгіпронісільбуд
п.5.1.8
До складу фізико-механічних характеристик ґрунтів входять:
- - щільність ґрунту та його частинок та вологість (ГОСТ 5180 та ГОСТ 30416);
- - Коефіцієнт пористості;
- - гранулометричний склад для великоуламкових ґрунтів та пісків (ГОСТ 12536);
- - вологість на межах пластичності та плинності, число пластичності та показник плинності для глинистих ґрунтів (ГОСТ 5180);
- - кут внутрішнього тертя, питоме зчеплення та модуль деформації ґрунтів (ГОСТ 12248, ГОСТ 20276, ГОСТ 30416 та ГОСТ 30672);
Нормативні значення цих характеристик - Додаток А СП 22.13330.2016
- - тимчасовий опір при одновісному стисканні, показники розм'якшення та розчинності для скельних ґрунтів (ГОСТ 12248).
До фізичних характеристик грунтів належать:
Для специфічних ґрунтів, особливості проектування основ яких викладено у розділі 6 СП 22.13330.2011, та при проектуванні основ підземних частин споруд (див. розділ 9) додатково мають бути визначені характеристики, зазначені у цих розділах.
До ґрунтів зі специфічними несприятливими властивостями відносяться:
- Просадні ґрунти
Набухають ґрунти
Засолені ґрунти
Органомінеральні та органічні ґрунти
Елювіальні ґрунти
Насипні ґрунти
Намивні ґрунти
Пучинисті ґрунти
Закріплені ґрунти
При визначенні розрахункового опору ґрунту Rпідстав дерев'яних будинків, що належать до 3 зниженого класу відповідальності, за табличними значеннями R 0(В.1-В.10 додатка В) не потрібно визначення таких фізико-механічних характеристик, як:
Кут внутрішнього тертя, питоме зчеплення, модуль деформації та коефіцієнт поперечної деформації ґрунтів (ГОСТ 12248, ГОСТ 20276, ГОСТ 30416 та ГОСТ 30672);
Див. приклад визначення властивостей ґрунтів для заміни фундаменту на сторінці на сайті: "Приклад розрахунку основи дерев'яного будинку"
Визначення
Додаток А. п.:
- Коефіцієнт пористості eвизначається за формулою (Див. А.6 ГОСТ 25100-2011)
e = (ρ s - ρ d)/ρ d , (А.5)
- ρ s -щільність частинок (скелета) ґрунту, маса одиниці обсягу твердих (скелетних) частинок ґрунту г/см3;
ρ d - щільність сухого ґрунту, відношення маси ґрунту за вирахуванням маси води та льоду в його порах до його початкового об'єму, г/см3, яка визначається за формулою
- Щільність сухого ґрунту (скелета) ρ dвизначають за формулою (див. А.16 ГОСТ 25100.2011)
ρ d = ρ/(1+ w), (А.8)
- де ρ - щільність ґрунту, г/см 3 (див. ГОСТ 5180);
w- природна вологість ґрунту, %
- Показник плинності I L- відношення різниці вологостей, що відповідають двом станам грунту: природному W і на межі розкочування Wp, до пластичності Ip
А.18 ГОСТ 25100-2011, Показник плинності I Lд.е., - показник стану (консистенції) глинистих ґрунтів; визначають за формулоюI L = (w - w p)/I p (A.9)
- де w - природна вологість ґрунту, % (див. ГОСТ-5180-84);
w p - вологість на межі розкочування, % (див. ГОСТ 5180);
I p - число пластичності, % (див. А.31 ГОСТ 25100-2011)
- Число пластичності I p(Див. А.31 ГОСТ 25100-2011), %; визначають за формулою
I p = w L - w p (A.17)
- де w L - вологість на межі плинності, % (див. 4 ГОСТ 5180);
w p - вологість на межі розкочування, % (див. 5 ГОСТ 5180)
Стисненість- здатність ґрунту зменшуватися в обсязі під дією зовнішньої сили, характеризується коефіцієнтом стисливості m 0(тангенсом кута нахилу компресійної кривої), що визначається за формулою (Див. 5.4 ГОСТ 12248-2010)
m 0 = (e i - e i+1)/ (pi +1 - pi) 5.32
- e i та e i+1 - коефіцієнти пористості, що відповідають тискам p i та p i +1 .
- За виміряними в процесі випробування значеннями горизонтальної зрізної та нормальної навантажень обчислюють дотичні та нормальні напруги τ і σ, МПа, за формулами:
τ = 10Q/A; (5.3)
σ = 10F/A; (5.4) - Питоме зчеплення cі кут внутрішнього тертя φ
ґрунту визначаються як параметри лінійної залежності
τ = σ tg(φ) + c (5.5)
- τ і φ визначаються за формулами (5.3) та (5.4) = Q/A, (5.1) - дотичні напруги та
= F/A, (5.2) - нормальні напруги
Q і F -відповідно дотична і нормальна сила до площини зрізу, кН
A - площа зрізу, см2
Джерело: ГОСТ 12248-2010 щільність грунту - відношення маси грунту включаючи масу води в його порах до об'єму, що займає цим грунтом (г/см 3 т/м 3)
щільність сухого ґрунту ρ d - відношення маси сухого грунту (виключаючи масу води в його порах) до об'єму, що займає цим грунтом (г/см 3 т/м 3)
щільність частинок ґрунту ρ s - відношення маси сухого ґрунту (за винятком маси води в його порах) до обсягу твердої частини цього ґрунту (г/см 3 т/м 3). Повна вологоємність Wo – максимально можливий вміст у ґрунті всіх можливих видів води при повному заповненні його пір.
w sat = n.ρ w/ ρ d
- де: n - пористість, тобто,
ρ w- Щільність води, г/см3,
ρ d – щільність сухого ґрунту.
Механічні властивості ґрунтів– це їхня здатність чинити опір зміні обсягу та форми внаслідок силових та фізичних впливів.
деформаційні- здатність ґрунту міцнісні– здатність ґрунту
чинити опір розвитку деформацій; чинити опір руйнуванню;
На механічні властивості впливають характер структурних зв'язків частинок, гранулометричний та мінеральний склад та вологість ґрунтів. Основними механічними властивостями ґрунтів вважають: стисливість; опір зрушенню; водопроникність.
стисливість.
Здатність ґрунту зменшуватися в обсязі під впливом ущільнюючих навантажень називають стисливістю, осадом або деформацією. За фізичною будовою грунт складається з окремих частинок різної крупності та мінерального складу (скелет грунту) та пір, заповнених рідиною (вода) та газом (повітря). При виникненні напруг стиснення зміна обсягів відбувається за рахунок зменшення обсягів, що розташовуються всередині ґрунту пір, заповнених водою. Таким чином, стисливість залежить від багатьох факторів, основними з яких є фізичний склад, вид структурних зв'язків частинок та величина навантаження.
За характером усадки поділяють пружні та пластичні деформації. Пружні деформації виникають у результаті навантажень, що не перевищують структурну міцність ґрунтів, тобто. не руйнують структурні зв'язки між частинками та характеризуються здатністю ґрунту повертатися у вихідний стан після зняття навантажень. Пластичні деформації руйнують скелет ґрунту, порушуючи зв'язки та переміщуючи частинки щодо один одного. При цьому об'ємні пластичні деформації ущільнюють ґрунт за рахунок зміни обсягу внутрішніх пір, а пластичні зсувні деформації – за рахунок зміни його первісної форми і аж до руйнування. При розрахунках стисливості ґрунту основні деформаційні характеристики визначають у лабораторних умовах згідно з коефіцієнтом відносної стисливості, коефіцієнтом бічного тиску та коефіцієнтом поперечного розширення.
Опір зрушенню
Граничним опором зсуву називається здатність ґрунту протистояти переміщенню частин ґрунту відносно один одного під впливом дотичних та прямих напруг. Цей показник характеризується властивостями міцності грунтів і використовується в розрахунках основ будівель і споруд. Здатність ґрунту сприймати навантаження не руйнуючись, називають міцністю. У піщаних і великоуламкових незв'язних ґрунтах опір досягається в основному за рахунок сили тертя окремих частинок, такі ґрунти називають сипучими. Глинисті грунти мають більш високий опір до зсуву, т.к. поряд із силою тертя зсуву протистоять сили зчеплення. У будівництві цей показник важливий при розрахунку основ фундаментів та виготовлення земляних споруд із укосами.
Опір глинистих ґрунтів зсуву t визначається рівнянням Кулону:
Для піщаних ґрунтів, через відсутність сил зчеплення, опір зсуву набуває вигляду:
Водопроникність
Водопроникність характеризується здатністю ґрунту пропускати через себе воду під дією різниці напорів та обумовлюється фізичною будовою та складом ґрунту. За інших рівних умов при фізичній будові з меншим вмістом пор і при переважанні у складі частинок глини водопроникність буде меншою, ніж у пористих і піщаних грунтів відповідно. Не можна недооцінювати цей показник, т.к. у будівництві він впливає на стійкість земляних споруд та зумовлює швидкість ущільнення ґрунтів основ.
Деформаційні та міцнісні властивості ґрунтів та їх характеристики.
Стисненістьґрунтів характеризує їх здатність деформуватися без руйнування під впливом зовнішнього навантаження. Деформаційні властивості ґрунтів характеризуються модулем загальної деформації Е , коефіцієнтом Пуассона, коефіцієнтами стисливості та консолідації, модулями зсуву та об'ємного стиску. Стисливість дисперсних ґрунтів під навантаженням обумовлена зміщенням мінеральних частинок щодо один одного і відповідно зменшенням обсягу пір.
Міцність ґрунтіввизначається їх опірністю зрушенню , яке можна описати лінійною залежністю Кулону
τ = p tgφ + c,
де τ - Опір зрушенню, МПа; р - Нормальний тиск, МПа; tg φ - Коефіцієнт внутрішнього тертя; φ - Кут внутрішнього тертя, град; c – зчеплення, МПа.
Величини φ і c необхідні для інженерних розрахунків міцності та стійкості.
Міцність скельних ґрунтів визначається переважно їх структурними зв'язками, тобто. зчепленням, але найбільшою міроютрешинуватістю.
Тимчасовий опір скального ґрунту одновісному стиску (межа міцності на стиск) є важливою класифікаційною характеристикою, за якою проводиться віднесення ґрунту до скального (> 5 МПа) або нескального (< 5 МПа).
Хіміко-мінеральний склад, структури та текстури ґрунтів, вміст органічної речовини визначають у геологічних лабораторіях, оснащених необхідною апаратурою (рентгеноелектронний мікроскоп тощо). Фізико-механічні властивості ґрунтів вивчають у ґрунтознавчих лабораторіях та в польових умовах на майбутніх будівельних майданчиках. Особлива увага при цьому звертається на достовірність одержуваних результатів.
По кожній характеристиці ґрунтів виконується кілька визначень та проводиться їхній статистичний аналіз. Для будь-якого ІГЕ визначень має бути не менше трьох.
Ґрунтовна лабораторія.Зразки ґрунтів для лабораторних досліджень відбираються за шарами ґрунтів у шурфах та у бурових свердловинах на об'єктах.
У лабораторію зразки ґрунтів доставляють у вигляді монолітів або пухких проб. Моноліти - це зразки ґрунтів з непорушеною структурою, які повинні мати розміри 20 х 20 х 20 см. У пилувато-глинистих ґрунтів потрібно зберігати природну вологість за рахунок водонепроникної парафінової або воскової оболонки на їх поверхні У пухких ґрунтах (пісок, гравій тощо) .) зразки відбираються масою не менше 0,5 кг.
У лабораторних умовах можна визначати всі фізико-механічні характеристики, причому кожну згідно зі своїми ГОСТ: природна вологість і щільність грунту - ГОСТ 5180-84, межа міцності - ГОСТ 17245-79, гранулометричний (зерновий) склад - ГОСТ 12536-79 і т.д. .В лабораторії визначають вологість, щільність частинок ґрунту та деякі інші.
Польові роботи.Дослідження ґрунтів у польових умовах дає перевагу перед лабораторним аналізом, оскільки дозволяє визначати всі значення фізико-механічних характеристик при природному заляганні ґрунтів без руйнування їх структури та текстури із збереженням режиму вологості. При цьому моделюється робота масивів ґрунтів в основах будівель та споруд. Такі дослідження ґрунтів в останні роки використовують все більше. При цьому вдосконалюється технічна оснащеність, застосовуються ЕОМ. Експрес-методи дозволяють швидше отримувати властивості ґрунтів. Щоб прогнозувати поведінку масивів ґрунтів на період експлуатації будівель та споруд, доцільно розумно поєднувати лабораторні та польові дослідження.
Серед методів деформаційних випробувань ґрунтів на стисливість слід вважати еталонним методом польових штампових випробувань (ГОСТ 20278-85). Результати інших методів випробувань, як польових (пресіометрія, динамічне та статичне лідирування), так і лабораторних (компресійні та стабілометричні) обов'язково повинні зіставлятися з результатами штампових випробувань.
При визначенні характеристик міцності грунтів найбільш достовірні результати дають польові випробування на зріз ціликів грунту безпосередньо на будівельному майданчику (ГОСТ 23741-79). Через високу вартість і трудомісткості ці роботи проводять тільки для спорудження I рівня (класу) відповідальності. До них відносяться будівлі та споруди, що мають велике господарське значення, соціальні об'єкти та потребують підвищеної надійності (головні корпуси ТЕС. АЕС, телевізійні вежі, промислові труби понад 200 м, будівлі театрів, цирків, ринків, навчальних закладів тощо).
Для інших випадків будівництва (ІІ та ІІІ клас споруд) досить надійні показники з і φ отримують в результаті лабораторних випробувань ґрунтів у приладах плоского зрізу (ГОСТ 12248-78) та тривісного стиснення (ГОСТ 26518-85).
Характеристики міцності можна також визначати за методом лопатевого зондування, результати якого при проектуванні відповідальних споруд зіставляють зі зсувними випробуваннями для забезпечення достовірності результатів.
Деформаційні випробування ґрунтів.Стисливість ґрунтів вивчають методами штампів, пресіометрами, динамічним та статично зондуванням.
Метод ш т а м п о в. Унескельних ґрунтах на дні шурфів або в вибої свердловин встановлюють штампи, на які передаються статичні навантаження (ГОСТ 20276-85). Штамп у шурфі – це сталева або залізобетонна кругла плита площею 5000 см2. Для створення під штампом заданого тиску застосовують домкрати або платформи з вантажем (рис. 49).
Осаду штампів вимірюють прогібомірами. У шурфі на позначці підошви штампу і поза ним відбирають зразки ґрунтів для паралельних лабораторних досліджень. Штамп завантажують ступенями залежно від виду ґрунту та його стану, витримуючи до стабілізації деформацій. У результаті випробування будують графіки залежностей осідання штампу від тиску і від часу за ступенями навантаження. Після цього за формулою обчислюють модуль деформації ґрунту Е , МПа.
Штамп у свердловине.Випробування ґрунтів проводять у свердловині діаметром понад 320 мм глибиною до 20 м. На забій свердловини опускають штамп площею 600 см 2 . Навантаження на штамп передається через штангу, де розташовується платформа з вантажем. Модуль деформації також визначають за такою формулою.
Пресіометричні дослідженняпроводять у глинистих ґрунтах. Пресіометр являє собою гумову циліндричну камеру, що опускається в свердловину на задану глибину і тиском рідини або газу, що розширюється. При створюваних тисках заміряють радіальні переміщення стінок свердловини, що дозволяє визначати модуль деформації та характеристики ґрунту міцності.
Мал. 49. Визначення стисливості ґрунтів штампами:
а, б – шурфи; в – свердловина; 1 – штампи; 2 – домкрат;
3 – анкерні палі; 4 – платформа з вантажем; 5 - штанга
Зондування(або пенетрація ) використовується для вивчення товщ ґрунтів до глибини 15 – 20 м. По опору проникнення в ґрунт металевого наконечника (зонда) визначають щільність та міцність ґрунтів та їх мінливість у вертикальному розрізі. Зондування відноситься до експрес-метод визначення механічних властивостей піщаних, глинистих і органогенних грунтів, які не містять або мають мало домішок щебеню або гальки. За способом занурення наконечника розрізняють зондування динамічне та статичне . При статичному зондуванні конус у ґрунт задавлюється плавно, а при динамічному його забивають молотом.
Статичне та динамічне зондуваннядозволяють:
Розчленувати товщу ґрунту на окремі шари;
Визначити глибину залягання скельних та великоуламкових ґрунтів;
Встановити приблизно густину пісків, консистенцію глинистих грунтів, визначити модуль деформації;
Оцінити якість штучно ущільнених ґрунтів у насипах та намивних утвореннях;
Виміряти потужність органогенних ґрунтів на болотах.
На рис. 50 показана пенетраційно-каротажна станція.
Мал. 50. Пенетраційно-каротажна станція:
1 – зонд-датчик; 2 – штанга; 3 – щогла; 4 – гідроциліндр; 5 – канал зв'язку; 6 – апаратна станція; 7 – пульт управління
Міцні випробування ґрунтів.Опір ґрунтів зсуву визначається граничними значеннями напруги при руйнуванні. Досліди проводять у котлованах, залишаючи стовпчасті цілики непорушеного ґрунту, до яких прикладають стискаючі та зсувні зусилля. Для правильного визначення внутрішнього тертя та питомого зчеплення досвід проводять не менше ніж на трьох ціликах при різних стискаючих зусиллях. Зсув виробляють також при обертанні крильчатки, яка є чотирилопатевим приладом. Його вдавлюють у грунт і повертають, вимірюючи при цьому момент, що крутить, по якому розраховують опір зсуву.
Досвідчені будівельні роботи. При будівництві об'єктів I рівня відповідальності (класу) польові дослідження ґрунтів набувають особливо важливого значення, тому вдаються до дослідних робіт.
Досвідчені палі. На будівельному майданчику занурюють інвентарну палю і спостерігають за характером її занурення та опірністю ґрунту. Прикладаючи до паски навантаження і вимірюючи опади при кожному ступені визначають несучу здатність грунту в умовах природної вологості і при замочуванні. Результати випробувань порівнюють із розрахунковими даними на базі лабораторних досліджень ґрунту.
Досвідчені фундаменти. Влаштовують фундаменти майбутньої будівлі у натуральну величину та на проектну глибину. На фундамент прикладають навантаження як від майбутньої будівлі і ведуть спостереження за стисненням ґрунту основи. Так визначають реальну здатність грунту і осаду майбутньої будівлі.
Досвідчені будинки. Кількісну оцінку просадних властивостей лесів дають за даними лабораторних та польових випробувань ґрунтів. У реальних умовах під зведеними будинками в натуральну величину лісову основу насичують водою та проводять спостереження за характером розвитку процесу, визначають значення просадок та оцінюють стан конструкцій будівлі. Аналогічні дослідні роботи виконують і в оцінці динамічних впливів на конструкції будівель та основи.
Обробка результатів досліджень ґрунтів. Оцінку властивостей масивів ґрунтів проводять на основі фізико-механічних характеристик у результаті лабораторних досліджень окремих зразків ґрунтів та польових робіт на території масиву. Отримані в лабораторії та в полі характеристики відповідають лише тим місцям, де було відібрано зразки та проведено польові випробування ґрунтів. У зв'язку з цим розрізнені результати досліджень та нормативні показники необхідно узагальнити, тобто статистично обробити з метою отримання усереднених значень та подальшого використання у розрахунках підстав.
Стаціонарні спостереженняпри інженерно-геологічних та гідрогеологічних дослідженнях проводять для оцінки розвитку несприятливих геологічних процесів (карсту, зсувів та ін.), режиму підземних вод та температурного режиму На вибраних характерних ділянках для спостережень встановлюють мережу реперів та ведуть інструментальні спостереження за їх переміщенням тощо. Вимірювання виконують у період експлуатації будівель та споруд, але вони можуть бути розпочаті й у період їх проектування. Тривалість робіт – до 1 року та більше.