Шпаргалка по "Механике грунтов"

Механика  грунтов

 

1 Основные физические  свойства грунтов. Номенклатура  грунтов оснований по СТБ 943 – 93.

Плотность грунта, плотность  его твердых частиц и влажность  грунта

Поскольку при нарушении  структурных связей грунта его свойства изменяются, необходимо изучать состояние грунта при ненарушенной структуре. Для этого в процессе инженерно-геологических изысканий из шурфов и скважин отбирают монолиты — большие образцы грунта ненарушенной структуры. Из этих монолитов в лабораторных условиях берут меньшие образцы и экспериментально определяют три основные характеристики:

плотность (объемную массу) грунта ρ естественной (ненарушенной) структуры, равную отношению массы образца грунта к его объему;

плотность (объемную массу) твердых частиц грунта ρ_s, равную отношению массы твердых частиц к их объему;

природную весовую  влажность грунта w, равную отношению массы содержащейся в нем воды к массе твердых частиц.

Рис. 1.3 Схема составных  частей (компонентов) образца грунта

Выделим   из   грунта   образец объемом V = 1 см³ и мысленно разделим его на две части: одну, занятую твердыми частицами, объемом v₁, и другую, занятую порами, расположенными между этими частицами, объемом V₂, (рис. 1.3). Пространство, занятое   порами,   можно   разделить  в   общем случае также на две части, одна из которых занята водой, другая — воздухом. Пусть масса твердых частиц в объеме V будет g₁, а масса воды — g₂ (масса воздуха не оказывает влияния на результаты расчетов). В соответствии с определениями

                                                        (1.1)

Плотность грунта определяют взвешиванием чаще всего по образцу, взятому в режущее кольцо, иногда парафинированием или другими методами, в т. ч. путем гамма-каротажа. Плотность твердых частиц находят с помощью пикнометра. Влажность грунта устанавливают взвешиванием образца естественной влажности до и после высушивания (до постоянной массы) при температуре 105 °С.

СТБ943-93 –“классификация  грунтов”

В соответствии с СТБ и характера стр. связей, условий образования, состава и строит. свойств грунты делятся:

На классы: скальные и  нескальные

 Класс скальных грунтов — грунты  с жесткими структурным связями, к которым относятся магматические (граниты, диориты, сиениты и др.), метаморфические (гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы  и др.),  осадочные сцементированные (конгломераты, брекчии,  песчаники  и  др.)  и  искусственные,  преобразованные в природном залегании грунты (трещиноватые типа магматических, метаморфических, осадочных сцементированных и др.).

Класс нескальных грунтов — грунты без жестких структурных связей, которые подразделяются на: обломочные, крупнообломочные -  валунный, галечный и гравийный грунт; обломочные песчаные - песок  гравелистый    (крупный,    средней    крупности,    легкий и пылеватый); обломочные пылеватые и глинистые —   

  супесь, суглинок и глины, лёссовые грунты и илы; биогенные (озерные, болотные, озерно-болотные, аллювиально-болотные и др.), к которым относятся сапропели, заторфованные песчаные, заторфованные пылеватые и глинистые грунты;  биогенные (озерные, болотные, озерно-болотные, аллювиально-болотные и др.), к которым относятся торфы; почвы (тундровые, подзолистые, болотные, лесостепные, чернозёмные, каштановые  и  др.)  — щебенистые,  дресвяные и др.;  искусственные  грунты  — уплотненные  в  природном  залегании  (типы песчаных, пылеватых и глинистых, биогенных грунтов и почв), насыпные и намывные.

 

 

 

2 Механические  свойства грунтов. Основные закономерности  механики грунтов и коэффициенты, характеризующие механические свойства грунтов.

Исключительно большое  внимание при определении качества грунтов отводится изучению их механических свойств. Эти свойства проявляются  при действии на грунты внешней нагрузки, в частности давления от сооружения. При этом могут происходить процессы упругого и пластического деформирования, а также разрушения грунта. У грунтов с водно-коллоидными связями эти процессы развиваются последовательно от упругого деформирования к пластическому, а затем к разрушению. У грунтов с химическими связями и у рыхлых грунтов без связей упругое деформирование сменяется разрушением. Механические свойства грунтов подразделяются на деформационные, прочностные и реологические. Первые характеризуют поведение грунта при нагрузках, меньших критической, а вторые- при нагрузках, равных или больших критической, т. е. при которых происходит разрушение грунта. Разрушение грунта может проявляться в виде разрыва (при растяжении), раздавливания (при сжатии), скалывания или среза (при сдвиге). Скалывание происходит при сдвиге грунтов с жесткими связями, а срез - при сдвиге грунтов с водно-коллоидными связями. Пластические деформации последних происходят очень медленно, поэтому могут развиваться длительные осадки и наклоны сооружения, перемещения подпорных сооружений, оползни и др. Свойства грунтов, характеризующие их поведение во времени, называются реологическими. К ним относятся ползучесть (рост деформации при постоянном напряжении) и релаксация напряжений (падение напряжения при неизменной деформации). Механические свойства характеризуются сопротивлением грунтов сжатию, сдвигу и разрыву. Сопротивление грунтов сжатию. При одноосном сжатии в скальных грунтах возникают упругие деформации, которые восстанавливаются после окончания сжатия, и остаточные, связанные с наличием в грунтах микротрещин и не очень плотным примыканием частиц друг к другу. Для характеристики деформационных свойств скальных грунтов используют модуль общей деформации Eобщ и модуль упругости Eу. Модуль упругости равен отношению напряжения при одноосном сжатии σ к относительной обратимой деформации lобр :

Модуль общей деформации представляет собой отношение того же напряжения к общей относительной  деформации lобщ:

где ε1 и ε2 - коэффициент  пористости при давлениях р1 и р2. Величина, обратная коэффициенту уплотнения, называется модулем сжатия.

Модуль осадки 1р показывает величину сжатия грунта (в миллиметрах), приходящуюся на 1 м толщи грунта при определенном давлении р. Если l2 = 25 мм/м, то это значит, что слой грунта 1 м при давлении 2·105 Па сжимается на 25 мм. Зная мощность грунта в активной зоне h, можно определить сжатие всего слоя Δh:

Рис. 16.3. Компрессионные кривые:

а - нагрузки; б – разгрузки

По величине модуля осадки Н. Н. Маслов выделил пять категорий грунтов (табл. 26). Сжатие рыхлых несвязных грунтов протекает быстро, по абсолютной величине невелико и происходит в результате взаимного перемещения обломков (зерен). При значительных давлениях (2-3 МПа) частицы могут раскалываться, в результате чего образуется мелкозернистый грунт.

Сопротивление грунта сдвигу. Сопротивление пород сдвигающим нагрузкам в общем случае зависит  от сцепления и трения. Сцепление  проявляется в основном в грунтах  связных, причем в скальных грунтах  оно наибольшее и обусловлено химическими связями. В мягких связных грунтах (глина, суглинок, лёсс, супесь) связность обусловлена цементирующим, склеивающим действием коллоидов и молекулярным сцеплением при непосредственном контакте частиц, слагающих грунт. Сопротивление сдвигу в этих грунтах оказывают вначале силы сцепления, а затем, когда сдвигающие нагрузки превысят их, силы трения между частицами. В рыхлых несвязных грунтах сопротивление сдвигающим усилиям оказывают только силы трения. Сопротивление грунтов сдвигу определяется обычно в лабораторных и полевых приборах и установках различной конструкции с двумя или одной фиксированными поверхностями сдвига (рис. 16.4). Сдвиг производится при разных вертикальных давлениях, каждому из которых соответствует свое сдвигающее усилие. По результатам опытов строится график зависимости сдвигающих усилий Т от вертикального давления р. Для рыхлых грунтов на графике получается прямая, проходящая через начало координат:

где τ - сопротивление  сдвигу; р - нормальное давление; f-коэффициент  внутреннего трения; φ - угол внутреннего трения.

Важное практическое значение для рыхлых пород имеет  угол естественного откоса α - максимальный угол наклона откоса к горизонту, при котором грунты в откосе не смещаются к подножию откоса:

где h и l - высота и длина основания откоса. Угол откоса определяется как для сухих пород, так и для находящихся под водой. Сопротивление связных грунтов сдвигу выражается зависимостью

где с - сцепление грунта. Линия, выражающая зависимость между  сдвигающими усилиями и нормальным давлением, отсекает на оси ординат отрезок, равный сцеплению с. Из формул (16.22) и (16.24) следует, что

Разделив правую и  левую части на р и обозначив  τ/p = tgΨ, получим

где Ψ - угол сдвига; tg Ψ - коэффициент сдвига; φ и tg φ - угол внутреннего трения и коэффициент трения; с0 - удельное сцепление.

Сопротивление грунтов  разрыву. Разрыв в грунте происходит под действием растягивающих  давлений, которые возникают в  следующих случаях: 1) при высыхании  глинистых грунтов (усадке); 2) при  нагревании и охлаждении скальных грунтов; 3) при давлении столба воды в верхнем бьефе плотины; 4) при действиигравитационных сил (на крутых склонах и откосах). Прочность на разрыв при одноосном растяжении определяют в основном для скальных грунтов.

 

3 Оценка несущей  способности грунтов оснований.

Структурно фазовая  деформируемость грунтов при  возрастании нагрузки.

Исследования деформативности  грунтов в одометрах позволили  прийти к следующим выводам:

1. Грунт не является упругим материалом (т.е. остаточные деформации значительно больше упругих)
2. Грунту не свойственна строгая  прямопропорциональная зависимость между σ и ξ  
3. Грунт является не сплошным материалом (состоит из мелких частиц и пор между ними, заполненных чем либо (вода, частици))

Рассмотрим характер перемещения  фундамента (штампа) в случае его загружения статической нагрузкой.

 

Характер деформации грунтов оснований  под воздействием на него возрастающей нагрузки. Измеряются и различаются 3-ри фазы деформации основания

 

В начальной 1-й фазе – фазе уплотнения грунта, осадка основания обусловлена изменением объёма пор.

Эта фаза характеризуется  тем, что касательные напряжения всех  площадок, проходящие через  все точки основания удовлетворяют  условию:

При увеличении P в точках (1) основания появляется сдвиг, с этого момента начинается вторая фаза.

2-я фаза «сдвига»

Сдвиг по мере увеличения нагрузки, захватывает  всё большие  области – называемые областями  предельного равновесия. Под фундаментом  создается уплотненное ядро грунта в форме клина, в котором сдвиг не происходит.

Во 2-й фазе осадка грунта обусловлена не только уплотнением  грунта, но и его смещением в  стороны. Давление по подошве фундамента соответствующее 2-й фазе – «предельно краевое давление» или «предел  пропорциональности»

3-я фаза – фаза выпора, грунт выпирается в стороны. 

 

4 Деформации  грунтов и расчет осадок фундаментов. 

Все деформации основания  можно разделить на несколько видов.

1. Осадки — деформации, которые не вызывают коренного изменения структуры грунта и происходят вследствие уплотнения грунта   под   влиянием   внешних   нагрузок   или   (в  отдельных  случаях) собственного веса грунта.
2. Просадки — деформации  в результате коренного изменения структуры  грунта  под  воздействием  внешних  нагрузок,   собственного веса грунта и влиянием дополнительных факторов (замачивание просадочного грунта, оттаивание льдовых прослоек в мёрзлом грунте и т.д.).
3. Подъемы и усадки — деформации, обусловленные изменением объемов некоторых грунтов при изменении их влажности или воздействии   химических   веществ   (набухание   и   усадка),   замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта).
4. Оседания  —  деформации   поверхности   грунта   в   результате разработки   полезных   ископаемых,   понижения   уровня   подземных вод и т.д.
5. Горизонтальные  перемещения   —   деформации   в   результате воздействия   горизонтальных   нагрузок   на   основание   (подпорные стены и т.д.) или как следствие значительных вертикальных перемещений поверхностей грунта при оседаниях, просадках грунта от собственного веса и т.п.

Метод послойного суммирования

Зная, что  напряжение в грунте от местной нагрузки рассеивается в пределах основания  и с глубиной интенсивность его уменьшается. При известном вертикальном давлении, приложенном к поверхности какого-либо слоя грунта, осадку можно определить по формуле (7.1). Вследствие постепенного изменения напряжений по глубине основания его толщу можно разбить на ряд слоев и в каждом из них определить напряжение. Это и принято в методе послойного суммирования.

При расчете осадки фундамента методом  послойного суммирования сначала находят дополнительное среднее давление р_0| распределенное по подошве фундамента:

                                                      (7.2)

где p_II - среднее давление по подошве фундамента от нагрузок, учитываемых при расчете по деформациям; σ_zg,0- природное напряжение на уровне подошвы фундамента; γ - удельный вес грунта в пределах глубин заложения фундамента от природного рельефа d_n.