|
Кафедра автомобильных дорог
М Е Х А Н И К А Г Р У Н Т О В
КУРС ЛЕКЦИЙ
Для студентов 2 курса о/о (семестр 4) и 3 курса з/о по дисциплине Б2.Б.7.3 «Механика грунтов». Направление подготовки бакалавров: 270800 СТРОИТЕЛЬСТВО. Профиль подготовки АД. Квалификация (степень) выпускника бакалавр.
БРЯНСК 2013
|
Кафедра автомобильных дорог
Утверждено
Научно - методическим
Советом БГИТА
Протокол № _____
От «____» ________ 2013 г.
М Е Х А Н И К А Г Р У Н Т О В
Введение
Целью преподавания дисциплины «Механика грунтов» является приобретение студентами-бакалаврами определенного объема знаний и практических навыков по расчету разных видов грунтов в различных условиях дорожного хозяйства. Дисциплина базируется на основных дисциплинах, таких как: «Сопротивление материалов», «Геология», «Математика», «Геодезия» и ряде других.
Целью изучения дисциплины «Механика грунтов» является ознакомление студентов-бакалавров с основными материалами природного происхождения: грунтами и их взаимодействием с сооружениями. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения. Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения. Прочность грунтов обычно в сотни раз меньше, а деформируемость в тысячи раз больше, чем конструкционных материалов. Недоиспользование несущей способности грунтов основания приводит к удорожанию строительства, но ошибочная оценка поведения грунтов основания часто бывает причиной аварий сооружений. Поэтому необходимо уметь не только правильно оценивать прочностные и деформационные свойства грунтов, но и разрабатывать оптимальные конструктивные решения передачи нагрузок от сооружения на основание, а в ряде случаев предусмотреть и способы улучшения строительных свойств грунтов основания.
Целью изучения дисциплины «Механика грунтов » также является ознакомление студентов-бакалавров с вопросами распределения напряжений в массиве грунта, методами оценки степени прочности и устойчивости грунтов в основании дорожных сооружений, а также деформаций грунтов под действием приложенных к ним сил с учетом фактора времени.
Основная задача – подготовка бакалавров, умеющих правильно оценивать и улучшать свойства грунтов, возможность их деформации и потери устойчивости под действием нагрузки, с учетом особенностей работы грунта в земляном полотне автомобильных дорог и других дорожных сооружениях.
Дисциплина «Механика грунтов» состоит из 8 лекционных занятий, 8 лабораторных занятий, выполнения студентами очной формы обучения расчетно-графической работы, студентами заочного отделения – контрольной работы и самостоятельного изучения части теоретического материала, что отражено в таблице:
Виды учебных занятий | Трудоемкость |
Лекции | |
Лабораторные занятия | |
Итого: аудиторных часов | |
Экзамен | 4 семестр |
Расчетно- графическая работа | 4 семестр |
Самостоятельная работа | |
Общая трудоемкость, час: | |
Дидактические единицы |
Требования ГОС ВПО по минимальному уровню содержания дисциплины для подготовки бакалавра по направлению 270800 СТРОИТЕЛЬСТВО для учебной дисциплины: Б2.Б.7.3 «Механика грунтов».
Индекс | Наименование дисциплины и её основные разделы | Всего часов |
Б2.Б.7.3 | Б2.Б.7.3 «Механика грунтов» Физико-механические свойства (характеристики) грунтов основания. Напряженное состояние грунтов основания. Расчет оснований по несущей способности и устойчивости. Расчет оснований по деформациям. Оценка устойчивости склонов, откосов и массивных подпорных стенок. |
Наименование разделов, тем,
Содержание и трудоемкость в часах лекционных занятий
Б2.Б.7.3 «Механика грунтов»
Лекция № 1
Тема: «Физико-механические свойства (характеристики) грунтов оснований. Часть 1 - Состав, строение и состояние грунтов»
Вопросы:
1 – Происхождение грунтов. Составные части грунтов.
2 – Виды воды в грунте.
3 – Газообразная составляющая грунта.
4 – Структура, текстура и связность грунтов.
Лекция № 2
Тема: «Физико-механические свойства (характеристики) грунтов оснований». Часть 2
Вопросы:
1 – Основные физико - механические характеристики грунтов.
2 – Классификация и типы грунтовых оснований.
3 – Строение оснований.
Вопрос 2 - Классификация и типы грунтовых оснований
Итак, грунтомназывают горные породы, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, находящиеся в пределах зоны выветривания земли и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека.
В соответствии с ГОСТ 25 100 – 95 «Грунты. Классификация» все грунты классифицируются по характеру структурных связей (классы); по происхождению (группы); по условиям образования (подгруппы) по петрографическому и гранулометрическому составу, степени неоднородности и числу пластичности (тип); по структуре, текстуре, составу связующего вещества, плотности сложения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ, по степени уплотнения от собственного веса (вид). ГОСТ 25 100 – 95 разделяет все грунты на два класса: грунты с жесткими структурными связями (класс скальных грунтов); грунты без жестких структурных связей (класс нескальных грунтов). В зависимости от предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии (Rc) скальные грунты естественного или искусственного происхождения делят на скальные (Rc ≥ 5 МПа) и полускальные (Rc < 5 МПа).
Искусственные скальные породы могут быть получены закреплением грунта в природном залегании различными методами: силикатизацией, цементацией, смолизацией, термической обработкой и др.
Пески относят к группе обломочных несцементированных грунтов, подгруппе обломочных песчаных. Наиболее важные показатели, характеризующие несущую способность песчаных грунтов, приведены в таблице 2.5.
Основные характеристики глинистых грунтов (супесей, суглинков и глин) приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.5 – Основные характеристики песчаных грунтов
Тип (по гранулометри-ческому составу и массе частиц размером d ) | Вид (по плотности сложения) | Разновидность (по степени влажности Sr) |
Песок гравелистый (частиц размерами более 2 мм содержится более 25 %). | Плотные (е < 0,55) Средней плотности (0,55 < е ≤ 0,70). Рыхлые (е > 0,70). | Маловлажные (0 < Sr ≤ 0,5). Влажные (0,5 < Sr ≤ 0,8). Насыщенные водой (0,8 < Sr ≤ 1). |
Песок крупный (частиц размерами более 0,5 мм содержится более 50 %). | Плотные (е < 0,55) Средней плотности (0,55 < е ≤ 0,70). Рыхлые (е > 0,70). | Маловлажные (0 < Sr ≤ 0,5). Влажные (0,5 < Sr ≤ 0,8). Насыщенные водой (0,8 < Sr ≤ 1). |
Песок средней крупности (частиц размерами более 0,25 мм содержится более 50 %). | Плотные (е < 0,55) Средней плотности (0,55 < е ≤ 0,70). Рыхлые (е > 0,70). | Маловлажные (0 < Sr ≤ 0,5). Влажные (0,5 < Sr ≤ 0,8). Насыщенные водой (0,8 < Sr ≤ 1). |
Песок мелкий (частиц размерами более 0,1 мм содержится более 75 %). | Плотные (е < 0,60) Средней плотности (0,60 < е ≤ 0,75). Рыхлые (е > 0,75). | ____ |
Песок пылеватый (частиц размерами более 0,1 мм содержится менее 75 %). | Плотные (е < 0,60) Средней плотности (0,60 < е ≤ 0,80). Рыхлые е > 0,80). | ____ |
Примечание.
е – коэффициент пористости грунта.
Таблица 2.6 – Основные характеристики глинистых грунтов
Тип (наименование по числу пластичности Jр ) | Вид (наименование по наличию включений размером d, мм и по содержанию крупных частиц, % ) | Разновидность (по консистенции, характеризующейся показателем текучести JL) |
Супеси 1 ≤ Jр ≤ 7 | С галькой (щебнем) или гравием (дресвой) (частиц размерами более 2 мм содержится 15 - 25 %) | Твердые (JL < 0), пластичные (0 ≤ JL ≤ 1), текучие (JL > 1). |
Суглинки 7 < Jр ≤ 17 Глины Jр > 17. | Галечниковые (щебенистые) или гравелистые (дресвяные) (частиц размерами более 2 мм содержится 26 - 50 %) | Суглинки и глины твердые (JL < 0), полутвердые (0 ≤ JL ≤ 0,25), тугопластичные (0,25 ≤ JL ≤ 0,50), мягкопластичные (0,50 ≤ JL ≤ 0,75), текучепластичные (0,75 ≤ JL ≤ 1,0), текучие (JL > 1). |
К классу нескальных относят грунты: валунные, галечниковые, гравийные, песчаные, пылеватые и глинистые (супеси, суглинки и глины), лессовые, илы, биогенные почвы (сапропель, торф), искусственные (уплотненные, насыпные, намывные).
Валунными считают грунты с содержанием частиц крупнее 200 мм более 50 %, галечниковые – с частицами крупнее 10 мм более 50 %; гравийные – масса частиц крупнее 2 мм более 50 %.
К глинистым грунтам относят лессы (макропористые грунты), у которых поры видны невооруженным глазом. Лессы – пылевато-глинистые грунты, содержащие более 50 % (по массе) пылеватых (размером 0,05 – 0,005 мм) частиц, легко- и среднерастворимые соли и карбонаты кальция. В сухом состоянии лессовые грунты содержат вертикальный откос и выдерживают нагрузку до 0,1 - 0,3 МПа. При замачивании водой лессовые грунты теряют свои прочностные характеристики, так как коренным образом меняется их структура.
В зависимости от структуры глинистые грунты могут быть просадочными и набухающими. Просадочные грунты под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании дают просадку и характеризуются относительной просадочностью εSl
(отношение уменьшения высоты замоченного образца грунта при давлении, ожидаемом после возведения сооружения, к высоте образца грунта с природными влажностью и давлением).
При εSl < 0,01 грунты считают непросадочными, при εSl > 0,01 – просадочными; при εSl = 0,01 … 0,05 – малосжимаемыми, при εSl > 0,05 – сильносжимаемыми.
Наибольшая просадочность наблюдается у макропористых (лессовых) грунтов, которые разделяются на два вида: низкопористые (е ≤ 0,80) и высокопористые (е > 0,80). В зависимости от возможности проявления просадки грунтов от собственного веса просадочные, в основном лессовые грунты, подразделяют на два типа:
1 - возможна просадка от внешней нагрузки, а просадка грунтов от собственного веса отсутствует или не превышает 5 см.
2 - помимо просадки грунтов от внешней нагрузки просадка их от собственного веса превышает 5 см.
К набухающим относят грунты, которые при замачивании увеличиваются в объеме и характеризуются относительным набуханием без возможности бокового расширения εSω (отношение увеличения высоты замоченного образца к его начальной высоте при естественной влажности). В зависимости от значения εSω грунты разделяют на набухающие (εSω < 0,12) и сильно набухающие (εSω > 0,12).
Набухающие делятся на слабо набухающие (0,04 ≤ εSω ≤ 0,08) и средне набухающие (0,08 ≤ εSω ≤ 0,08).
Все глинистые грунты могут быть набухаемыми. Но со строительной точки зрения к набухающим относят в основном глины, у которых при замачивании возникают большие силы набухания, стремящиеся выдавить опору вверх. Неравномерность набухания и усадки грунтов приводит к большим деформациям сооружений.
В группе осадочных несцементированных грунтов отдельными подгруппами классифицируют биогенные грунты (сапропели заторфованные, торфы) и почвы, которые как и илы, практически не используются в качестве оснований фундаментов.
Кроме выше перечисленных показателей песчаные и глинистые грунты характеризуются относительным содержанием органических веществ, степенью засоленности, температурой и льдинистостью (степенью цементации льдом).
Отдельной группой установлены искусственные грунты, подгруппы которых следующие: уплотненные в природном залегании, насыпные, намывные грунты.
Так как практически несжимаемыми могут быть только скальные грунты, а все основания деформируются под действием нагрузок и, следовательно, вызывают деформации надфундаментной части сооружения (осадки, крены, сдвиги), к основаниям любого фундамента предъявляют требования:
- достаточная прочность;
- сжимаемость грунтов в пределах, допустимых для нормальной эксплуатации сооружения;
- устойчивость против вымывания или выщелачивания.
В качестве оснований желательно использовать грунты скальных или крупнообломочных пород.
Вопрос 1 – Основные положения. Расчетная схема взаимодействия
Лекция № 4
Тема: «Определение напряжений в массиве грунтов
От действия собственного веса и приближенными методами
от действия прилагаемых на грунт нагрузок»
Вопросы:
1 – Определение напряжений в массиве грунтов от действия собственного веса.
2 – Определение напряжений по методу угловых точек.
3 – Действие равномерно распределенной полосовой нагрузки (плоская задача).
Лекция № 5
Тема: «Расчет оснований по несущей способности (прочности)
и устойчивости»
Вопросы:
1 – Основные положения теории предельного равновесия
2 – Виды критических нагрузок, действующих на грунты основания
3 - Начальная критическая нагрузка
4 – Нормативное сопротивление и расчетное давление
5 - Предельная критическая нагрузка
Вопрос 2 – Виды критических нагрузок, действующих
Нормативное сопротивление соответствует наибольшему значению среднего сжимающего напряжения под подошвой фундамента, до достижения которого оказывается возможным для расчетов осадок использовать математический аппарат теории линейного деформирования грунта.
Тогда, подставив формулу (5.15) z мах = ¼ b , получим (5.18):
Rн = [π(γ b/4+ γ' d + c . ctg φ)] / (ctg φ + φ – π/2) + γ' d, (5.18)
Это выражение часто представляют в виде трехчленной формулы (5.19):
Rн = М γ γ b + М q γ' d + Мсc , (5.19)
где М γ , М q , Мс – безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта φ и вычисляемые по формулам (5.20), (5.21) и (5.22):
М γ = π / 4 (ctg φ + φ – π/2), (5.20)
М q = π / (ctg φ + φ – π/2) + 1 , (5.21)
М с = π ctg φ / (ctg φ + φ – π/2) , (5.22)
Значения коэффициентов М γ , М q , Мс приведены в таблице 5.1.
СНиП 2.02.01 – 83 при расчете осадок построенных сооружений вводит понятие расчетного сопротивления грунта основания R, оно будет рассмотрено позже.
Таблица 5.1 - Значения коэффициентов М γ , М q , Мс
Угол внутреннего трения, φII, град | Коэффициенты | |||
М γ | М q | Мс | ||
0,00 | 1,00 | 3,14 | ||
0,03 | 1,12 | 3,32 | ||
0,06 | 1,25 | 3,51 | ||
0,10 | 1,39 | 3,71 | ||
0,14 | 1,55 | 3,93 | ||
0,18 | 1,73 | 4,17 | ||
0,23 | 1,94 | 4,42 | ||
0,29 | 2,17 | 4,69 | ||
0,36 | 2,43 | 4,99 | ||
0,43 | 2,73 | 5,31 | ||
0,51 | 3,06 | 5,66 | ||
0,61 | 3,44 | 6,04 | ||
0,72 | 3,87 | 6,45 | ||
0,84 | 4,37 | 6,90 | ||
0,98 | 4,93 | 7,40 | ||
1,15 | 5,59 | 7,95 | ||
1,34 | 6,34 | 8,55 | ||
1,55 | 7,22 | 9,22 | ||
1,81 | 8,24 | 9,97 | ||
2,11 | 9,44 | 10,80 | ||
2,46 | 10,85 | 11,73 | ||
2,88 | 12,51 | 12,79 | ||
3,88 | 14,50 | 13,98 | ||
Лекция № 6
Тема: «Практические способы расчета несущей способности и устойчивости оснований»
Вопросы:
1 – Расчет основания по несущей способности
2 – Расчет фундамента на плоский сдвиг
3 - Понятие о коэффициенте устойчивости
4 – Расчет фундамента по схеме глубинного сдвига
5 – Расчет на опрокидывание
Лекция № 7
По характеру ограждающие конструкции делят на жесткие и гибкие. К жестким относят конструкции, которые под действием давления грунта практически не сжимаются. Гибкиеподпорные стенки выполняют из шпунта, их называют шпунтовыми стенками. При воздействии нагрузки они изгибаются и характер эпюры давлений грунта на стенку зависит от ее деформаций. В дорожном строительстве наибольшее применение получили жесткие подпорные стенки.
Расчет устойчивости подпорных стенокпри соответствующих кинематических схемах (активное давление на разного вида поверхности стенок: при равномерно распределенной нагрузке, при местной нагрузке, для случая засыпки связным грунтом; а также пассивное давление на стенку) производят на плоский сдвиг, глубинный сдвиг и опрокидывание. Расчеты производят аналогично изложенным в лекции № 6 при расчете устойчивости фундаментов.
Необходимо иметь в виду, что в этих расчетах активное давление всегда относится к группе сдвигающих воздействий, а пассивное – к группе удерживающих воздействий на подпорную стенку.
Вопрос 2 – Общие сведения о методах расчета фундаментов
Вопрос 3 - Расчет фундаментов мелкого заложения по второй группе
Если L расч ≤ 0, то свая работает аналогично свае – стойке.