Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики

Содержание

1. Деформационные и прочностные свойства грунтов

и их характеристики.                                                                                          3

2. Плывуны.                                                                                                         7

3. Дополнительные  характеристики мерзлых грунтов  по сравнению с обычными.                                                                                                          10

4. Зеркало  грунтовых вод. Решаемые задачи.                                                 20

Использованная литература.                                                                             31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики

Грунтами называют горные породы, залегающие в верхних слоях земной коры и используемые в строительстве. Грунты в строительных целях подразделяют на скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые (глины, суглинки и супеси).

Для изучения сжимаемости грунтов под нагрузкой обычно применяют приборы, имеющие вид стакана, в дне и поршне которого разёмещены пористые диски, легко пропускающие наружу воду, вытесняемую из образца при его сжатии- это приборы, называемые одометрами, просты и получили широкое распространение. Кроме одометров, в практике лабораторного исследования фунтов применяют и более совершенные приборы — стабилометры. В них образец грунта, защищенный не проницаемой Частичной оболочкой, окружен сбоку жидкостью, которая препятствует его расширению в стороны при сжатии. Вода, вытесняемая из пор образца грунта, здесь также отводится через пористый даек, который устроен в дне прибора.

Два уравнения, определяющие объем частиц в образце грунта до и после сжатия:

,

 

где e0 – первоначальная пористость грунта,

      e - пористость после испытания,

      S- уменьшение высоты образца при истытании,

      h-высота образца до истытания.

 

Для изучения зависимости пористости грунта от давления его образец подвергают сжатию различными нагрузками р, начиная с некоторой небольшой ее величины и постепенно повышая ступенями по ходу испытания. Соответственно каждому значению нагрузки р, выражаемой обычно в кГ/см2, определяют установившееся значение [коэффициента пористости грунта e.

Результаты испытаний представляют в виде кривой сжатия, называемой также компрессионной кривой (рис. 1).

 

Рисунок 1- Кривая сжатия грунта

 

Кривую сжатия представленного здесь вида обычно получают при сравнительно большом изменении нагрузки на образец, достигающем иногда 15—20 кГ/см2.

Прочность грунта нарушается, если в нем возникают касательные напряжения, превышающие его предельное сопротивление сдвигу, в результате чего образуется опасная поверхность скольжения. В песках, которые по их свойствам считают близкими к идеально сыпучим телам, сопротивление сдвигу обусловлено влиянием сил внутреннего трения грунта.

В связных глинистых грунтах сопротивление сдвигу зависит также и от сил сцепления. Поэтому в качестве основных прочностных характеристик в расчетах сопротивления грунта сдвигу принимают коэффициент внутреннего трения и удельное сцепление грунта.

Для вычисления удельного сцепления с здесь пользуются следующей,  полученной из решений теории пластичности, формулой:

,

где к- коэффициент, зависящий от угла внутреннего трения грунта. (При значениях угла, менее 7 и равных 10, 20 и 30°, к применительно к условиям предельно напряженного состояния имеет величину, соответственно равную 1; 0,61; 0,28 и 0,12; для мерзлых грунтов к=1).

Это уменьшение сил сцепления необходимо учитывать при расчетах устойчивости грунтов, находящихся в условиях длительного их нагружения.

Под влиянием сотрясений, возникающих при действии динамических нагрузок на грунты, их сопротивление сдвигу уменьшается. Увеличиваются осадки фундаментов, нарушается устойчивость земляных масс. Все это необходимо учитывать при проектировании различных сооружений, если грунты их оснований будут подвергнуты динамическим воздействиям.

Одним из примеров серьезных последствий воздействия динамических нагрузок на грунты является авария котлована на строительстве подземной железной дороги в Стокгольме, происшедшая в 1952 г. Здесь отрывка котлована длиной 140 м и шириной 25 м велась на глубину 12 м в глине, котбрая по оси трассы вклинивалась, в залегающую под ней трещиноватую скалу (гранит). Для разработки скалы применили взрывы, в результате которых в ее толще произошли смещения, вызвавшие появление новых и расширение существующих трещин. Через некоторое время грунт в одной из стенок котлована, на участке длиной 12 м, обрушился в выемку. Причиной аварии явилось нарушение взрывами устойчивости грунтов и их скольжение по наклонно идущему в скале тонкому прослойку глины, который ранее при геологических исследованиях не был обнаружен. Скольжение, как полагают, облегчалось еще тем, что по раскрывшимся старым и появившимся новым трещинам легко поступала вода из находящегося вблизи озера Мэлар и хорошо смачивала поверхность глины, значительно уменьшая сопротивление сдвигу.

В качестве примера, иллюстрирующего влияние вибраций на грунты, можно указать на появление значительных деформаций наружных стен здания машинного зала главного корпуса Чепельской шерстопрядильной и текстильной фабрики в Венгерской Народной Республике. Здесь легкое текстильное оборудование было Размещено непосредственно на полу, устроенному на слое насыпного грунта мощностью 1,65 м. Поверхность пола возвышалась над Уровнем планировочной отметки земли у здания на 1,65 м с одной его стороны и на 1,15 м — с другой. Под влиянием вибраций насыпной грунт значительно уплотнился? а его давление на внешние стены возросло настолько, что они получили значительный прогиб наружу, и состояние здания стало аварийным.

Под воздействием сотрясений от проходящих поездов возникли осадки фундаментов опор надземной железной дороги в Берлине, возведенных на плотном песке. Эти осадки за 40 лет достигли 35 см. В Мюнхене в последние годы возникли значительные осадки и крен многих зданий в сторону улиц, вызванные интенсивным развитием движения городского транспорта.  Здания также были выстроены на плотных песках.  Чтобы предупредить дальнейшее опасное развитие этих деформаций, некоторые улицы закрыли для движения. В Голландии аналогичные осадки и крен в сторону дорог наблюдаются у многих новых зданий, выстроенных у автострад. При проектировании фундаментов и различных земляных вооружений значения угла внутреннего трения f и сцепления с рекомендуется принимать по результатам исследований образцов грунтов на соответствующих приборах, выполняемых по заданной программе с учетом особенностей предстоящей их работы под нагрузкой. Справочными материалами можно пользоваться лишь в качестве первого приближения.

 

2 Плывуны

 

Явление плывунности выражается в том, что вскрытые водонасыщенные породы приходят в движение, приобретая свойства очень вязкой жидкости. При вскрытии траншей, котлованов, карьеров и других выработок их стенки начинают оплывать. Чем больше грунта извлекается из выемки, тем большее ее количество поступает со стороны дна и стенок. Иногда возникают катастрофические оплывания стенок, при которых перемещаются десятки и сотни тысяч тонн грунта. Истечение плывунов часто сказывается, на очень больших расстояниях от места вскрытия выемки, вызывая неожиданные просадки и провалы поверхности.

Исследуя явления плывунности, А. Ф. Лебедев установил, что сходное по внешним признакам течение грунта наподобие вязкой жидкости может вызываться двумя  различными причинами. В одних случаях плывунность грунта, как это правильно подметил К-Терцаги, вызывается особым гидродинамическим режимом; в других является следствием особых свойств грунта, определяемых минералогическим и гранулометрическим составом, и возникает на основе тиксотропных изменений его структуры.

При изменении гидродинамического режима определенные грунты перестают быть плывучими. Для таких плывунов плывунность не свойство, а состояние, поэтому Д. Ф. Лебедев назвал их ложными плывунами или псевдоплывунами. Так как псевдоплывуны переходят в плывунное состояние под действием гидродинамического давления фильтрующейся воды, то П. Н. Панюков считает целесообразным называть их фильтрационными, что подчеркивает причину их возникновения.

Плывуны, возникшие в результате тиксотропных изменений структуры, А. Ф. Лебедев выделил в особый тип грунтов и назвал их истинными плывунами, а П. Н. Панюков предлагает называть тиксотропными.

Явление тиксотропии наблюдается в коллоидных системах и заключается а том, что под влиянием внешних воздействий (толчка, встряхивания, вибрации, воздействия ультразвука и т. д.) коллоидная система теряет свою структуру и разрушается, а после удаления внешнего воздействия  восстанавливает свои первоначальные свойства. В общем виде явление тиксотропии можно объяснить тем, что в коллоидной системе одна часть коллоидно-мелких частиц находится в состоянии золя, т. е. в состоянии коллоидного раствора; другая часть коагулирует и находится в состоянии геля - студнеобразной массы. Внешнее воздействие  переводит коагулированные частицы из состояния геля в золь. Система теряет свою структуру и разжижается.

Водоудерживающая способность истинных плывунов очень велика и доходит до 240%, а водопроницаемость — ничтожна; в состоянии. естественной влажности коэффициент фильтрации не превышает 10-4-10-5 см/с. Вследствие этого обезвоживание истинных плывунов обычными методами практически невозможно.

Плотность истинных плывунов непостоянна и может резко изменяться при их перемещении, разжижении и самоуплотнении. При нарушении естественной структуры прочность уменьшается в 50—300 раз. Так, у истинных плывунов, имевших в природном состоянии сопротивление сжатию 0,28—0,43 МПа, после нарушения их структуры величина сопротивления сжатию уменьшалась в 80—180 раз.

Причиной плывунных явлений в ложных плывунах является действие напорной фильтрации или вибрирующей нагрузки. Следовательно, при производстве земляных работ необходимо учитывать их действие и снижать напорный градиент. Снижение напорного градиента возможно различными путями.

Откачка воды через иглофильтры или фильтрующие скважины позволяет понизить пьезометрический уровень потока и тем самым снизить его градиент. В отдельных случаях возможен перехват потока и осушение плывунного слоя. Открытый водоотлив непосредственно из выработки нежелателен, так как может только усилить плывунные явления.

Осушение истинных плывунов обычными путями почти невозможно, так как напорная фильтрация в них практически отсутствует. В этом случае применимо электроосмотическое осушение и электродренаж.

Г. М. Ломизе приводит несколько примеров электроосмотического водопонижения в грунтах с коэффициентом фильтрации 2,5·105, 1,4·106 см/с и т. д.

Другим методом является химическое закрепление плывучего грунта последовательным нагнетанием раствором жидкого стекла и хлористого кальция. Однако этот метод возможен только в грунтах с коэффициентами фильтрации от 2,0-10-3 до 9,0-10-2 см/с. Такие скорости фильтрации характерны для фильтрационных плывунов, не требующих, как правило, применения такого сложного метода закрепления. У тиксотропных плывунов коэффициент фильтрации будет значительно меньше 2,0-10-3 м/с, и поэтому способ химического закрепления для них мало применим. Более эффективно, но пока еще мало изучено, совместное применение электроосмотической фильтрации и нагнетания твердеющих растворов.

Очень эффективен метод замораживания. При этом вокруг выемки (котлована, карьера и т. п.) внутри грунта образуется оградительная стенка из грунта, сцементированного льдом. Недостатком этого метода является его временный характер, поэтому, его возможно применять только в тех случаях, когда впоследствии выход вскрытого пласта плывуна будет закрыт. В замкнутом пространстве лишенные возможности передвижения плывуны обладают достаточной несущей способностью. В особенности это относится к фильтрационным плывунам.

 

 

 

 

3 Дополнительные характеристики мерзлых грунтов по сравнению с обычными

 

Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура. Это явление принято называть «вечной» мерзлотой. По предложению Д. Ф. Швецова, такие зоны стали называть криолитозонами.

Учение о явлениях вечной мерзлоты называется мерзлотоведением (в последнее время — геокриологией). В мерзлотоведении изучаются явления как вечной, так и сезонной мерзлоты, возникающей и исчезающей в зависимости от времени года и климатических условий. Вечная мерзлота имеет широкое распространение. Почти 50% территории России и почти 24% суши всего земного шара относятся к криолитозонам. Положение криолитозон в числе прочих причин зависит и от астрономического положения земного шара.

Участки с вечномерзлыми породами встречаются и вне криолитозон, главным образом в глубоких пещерах и в высокогорных областях (Алатау, Памир, Урал, Кавказ).

 

Рисунок 1. а). сливающаяся мерзлота; б).несливающаяся мерзлота с перелетками ; в).несливающаяся мерзлота.