Механика грунтов курс лекций
РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение профессионального высшего образования
«Ростовский Государственный университет путей сообщения»
Кафедра: «Изыскания, проектирования и строительство железных дорог»
Кафитин Л.И.
Механика грунтов (курс лекций)
Методическое пособие для студентов строительного факультета
Год
Оглавление
Глава 1. Общее понятие. Предмет и задачи механики грунтов
1.1. Грунты и горные породы. Общая классификация грунтов…………
1.2. Основные задачи механики грунтов…………………………………
Глава 2. Физические свойства грунтов
2.1. Составные части грунтов и их свойства. Грунт как многокомпанентная
среда…………………………………………………………………………
2.1.1. Твердая фаза. Определение вида несвязных грунтов……………..
2.1.2. Жидкая фаза………………………………………………………….
2.1.3. Газообразная фаза…………………………………………………...
2.1.4. Структурные связи в грунтах……………………………………….
2.2. Фазовые характеристики грунтов
2.2.1. Основные фазовые характеристики грунтов и методы их
определения…………………………………………………………
2.2.2. Производные фазовые характеристики……………………………
2.2.3. Классификационные показатели грунтов………………………….
2.3. Водопроницаемость грунтов
2.3.1. Фильтрация воды. Закон Дарси…………………………………….
2.3.2. Начальный гидравлический градиент……………………………..
2.3.3. Гидродинамическое давление. Суффозия и кальматаж…………..
Глава 3. Механические свойства грунтов.
3.1. Компрессионные испытания грунтов. Деформационные
характеристики……………………………………………………………..
3.2. Прочностные характеристики грунтов……………………………………
3.2.1. Природа прочности горных пород (грунтов)……………………..
3.2.2. Предельное сопротивление грунта сдвигу. Закон Кулона……….
3.2.3. Испытание прочности грунтов по методу шарового штампа…..
3.2.4. Испытание грунтов на сдвиг при простом и трехосном сжатии..
3.2.5.Иные методы испытания грунтов на сдвиг………………………..
Глава 4. Напряжения в грунтовых сооружениях и основаниях
4.1. Фазы работы грунта в основаниях сооружений………………………….
4.2. Распределение напряжений в основании сооружений от
сосредоточенной силы……………………………………………………..
4.3. Определение напряжений в основании сооружений от нагрузки,
распределенной по площадке ограниченных размеров методом угловых
точек………………………………………………………………………….
4.4. Особенности оценки напряженного состояния оснований
железнодорожных насыпей………………………………………………...
4.5. Влияние неоднородности основания на распределение напряжений…..
4.6. Распределение напряжений от собственного веса грунта……………….
Глава 5. Прочность и устойчивость оснований………………………………………
5.1. Понятие о прочности и устойчивости оснований………………………...
5.2. Оценка прочности грунтов основания без учета нормальных
напряжений………………………………………………………………….
5.3. Оценка прочности грунтов с учетом нормальных напряжений………….
Глава 6. Деформации грунтов, расчет осадки фундаментов. Несущая способность
оснований……………………………………………………………………..
6.1. Виды деформации грунтов и причины их обусловившие……………….
6.2. Упругие деформации грунтов……………………………………………..
6.3. Определение конечной осадки сооружения………………………………
6.4. Определение хода осадок во времени…………………………………….
6.5. Несущая способность оснований…………………………………………
6.5.1. Виды сопротивления основания………………………………...
6.5.2. Расчет несущей способности основания……………………….
Глава 7. Устойчивость откосов. Подпорные стены………………………………….
7.1. Грунтовые откосы…………………………………………………………..
7.1.1. Сопротивление грунта сдвигу……………………………………
7.1.2. Временные откосы………………………………………………..
7.1.3. Расчет устойчивости откосов……………………………………
7.2. Скальные откосы…………………………………………………………...
7.2.1. Общее понятие……………………………………………………
7.2.2. Физико-механические свойства скальных пород………………
7.3. Подпорные стены…………………………………………………………..
7.3.1. Общие понятия. Типы подпорных стен…………………………
7.3.2. Оценка устойчивости подпорной стены………………………...
Литература……………………………………………………………………………..
Глава 1. Общее понятие. Предмет и задачи механики грунтов.
Механика грунтов - это отрасль науки, в которой изучаются физико-механические свойства грунтов и разрабатываются методы расчёта устойчивости и деформируемости грунтовых массивов при действии на них как собственного веса, так и внешних нагрузок от инженерных сооружений. В механике грунтов рассматриваются преимущественно рыхлые горные породы коры выветривания литосферы. Формирование механики грунтов, как самостоятельной дисциплины, обусловлено особенностями внутреннего строения дисперсных пород, сложностью физико-механических свойств грунтов, а так же разнообразием природных условий их залегания.
Эмпирический этап развития механики грунтов, процесс накопления практического опыта использования рыхлых горных пород в качестве оснований сооружений, имеет многовековую историю, неразрывно связанную с общей историей развития строительного производства. Начало теоретической механики грунтов было положено в XVIII веке в работах Шарля Кулона (1773г), посвящённых расчёту давления грунта на подпорные стенки и формулировке закона прочности грунта.
В XIX веке был получен ряд основополагающих решений механики грунтов по исследованиям грунтовых оснований.
Научное представление о грунтах и их изучение как многофазных систем было продолжено в XX веке и связано с именами К. Терцаги (1925г). Основные разделы механики грунтов разработаны отечественными учёными
Н.М. Герсевановым, В.А. Флериным и Н.А. Цытовичем.
Грунты и горные породы
Общая классификация грунтов
Горные породы - это природные геологические тела, сложенные минеральными агрегатами образованными в земной коре или на её поверхности, в результате различных геологических процессов.
Грунты- это любые горные породы или техногенные образования, используемые в инженерной деятельности человека. Грунты, как и горные породы, состоят из минералов. Грунты, как и горные породы состоят из минералов.
Минерал - это природное химическое соединение или отдельный химический элемент, возникающий в земной коре в результате различных геологических процессов.
Различие в понятиях грунт и горная порода в основном терминологическое. Термин "горная порода" подразумевает изучение минералогического состава, генезиса, возраста, физико-геологических процессов, характерных для данной породы. Термин "грунт" означает, что исследуются его свойства, как объекта строительства - прочность, деформируемость, а так же вопросы теоретического анализа и прогноза поведения грунта под нагрузкой.
Существует различие в классификациях, напомним, что горные породы делят по происхождению.
Грунты классифицируют, прежде всего с позиций оценки механических свойств и природы прочности связей между частицами .
Всего выделяют четыре класса грунтов:
- природные скальные;
- природные дисперсные;
- природные мерзлые;
- техногенные.
Природные скальные грунты характеризуются наличием прочных и жестких связей кристаллизационного (гранит, мрамор) и цементационного типа (песчаник, известняк).
Природные дисперсные грунты обладают либо слабыми воднокаллоидными связями (супесь, суглинок и глина), либо связь между частицами вообще отсутствует (пески, щебень). По этому признаку их делят на связные и несвязные. Связи между частицами дисперсных грунтов характеризуются тем, что при водонасыщении они резко теряют свою прочность. Но даже в сухом состоянии или маловлажном они, как правило, на порядки слабее связей в скальных грунтах. Эти грунты представлены осадочными рыхлыми (несцементированными) в том числе органогенными породами (торф, ил, почва). Дисперсные грунты ещё называют нескальными.
Природные мерзлые грунты - это грунты, находящиеся при отрицательной температуре и имеющие криогенные связи, то есть сцементированные льдом. Главная опасность при использовании мерзлых грунтов - это резкое ухудшение прочностных и деформационных свойств при оттаивании.
Техногенные грунты - созданы или преобразованы человеком. Они могут быть скальными (естественные грунты, закрепленные твердеющими растворами), дисперсными (земляное полотно железных и автомобильных дорог) и мерзлыми (искусственно промороженные при проходке тоннелей слабые водонасыщенные грунты).
Как уже упоминалось, в механике грунтов преимущественно исследуются дисперсные грунты - природные и техногенные. Помимо малой прочности и значительной деформируемости для них характерен целый ряд других неблагоприятных для строительства явлений - просадочность, морозное пучение, набухание и т.д. Вместе с тем именно с дисперсными грунтами чаще всего приходится сталкиваться строителям железных дорог.
Вопросы изучения работы грунтовых массивов становятся инженерной практикой и определяются их взаимодействием с инженерными сооружениями. В отношениях грунтов и сооружений существуют два понятия - основание и фундамент.
Основание - часть грунтового массива, испытывающая воздействие сооружения. Основание не имеет четких границ; их определение возможно лишь в конкретной задаче и в конкретном расчёте.
Фундамент - подземная или подводная часть сооружения, воспринимающая нагрузку от сооружения и передающая её на основание.
По отношению к инженерным сооружения грунты могут служить:
- основанием зданий и сооружений;
- материалом для возведения сооружений;
- средой, в которой возводятся сооружения.
Основные задачи механики грунтов
1. Исследование физико-механических свойств структурно-неустойчивых грунтов, т.е. просадочных, пучинистых, набухающих заторфованных и т.д. 2. Определение напряжений и деформаций грунтовых массивов от действия… 3. Определение прочности грунтов и устойчивости оснований и сооружений.Глава 2. Физические свойства грунтов
Составные части грунтов и их свойства
Грунт как многокомпанентная среда
Таким образом, грунт представляет собой трехкомпонентную или трехфазную среду, состоящую из: твердой фазы - минеральная часть или скелет грунта; жидкой фазы - поровая жидкость, чаще всего вода;Твердая фаза. Определение вида несвязных грунтов
Гранулометрический состав в природных грунтах определяется размером зерен, который изменяется в очень широком диапазоне - от долей микрона до… - крупнообломочную - размер частиц более 2 мм; - песчаную - размер частиц 2... 0,05мм;Жидкая фаза
Прочносвязанная вода удерживается на поверхности частиц настолько сильно, что по своим свойствам приближается к твердому телу, представляя с… Количество прочносвязанной воды, содержащейся в грунте при обычных температуре… Рыхлосвязанная вода отличается от прочносвязанной меньшим уровнем энергии связи. Иногда эту воду называют пленочной.…Газообразная фаза
Свободный газ через поровое пространство сообщается с атмосферой и не оказывает существенного влияния на механические свойства грунтов. Защемлённые (замкнутые) газы с атмосферой не сообщаются. Они характерны,… Растворенные газы, взаимодействуя с поверхностью частиц, могут вызывать различные химические реакции и изменять…Структурные связи в грунтах
Все твердые частицы, слагающие грунты, связаны между собой структурными связями. Характер связей нескальных грунтов во многом определяет основные свойства грунтов, так как прочность частиц грунта намного выше, чем связи между ними.
Различают следующие основные виды структурных связей в грунтах: воднокаллоидные (вязкопластичные, мягкие, обратимые) и цементационные (хрупкие, необратимые).
Фазовые характеристики грунтов
m=ms+mω ; V=Vs+Vp ; Vω≤Vp ; Схематично это можно изобразить так, как показано на рис.2.1.Основные фазовые характеристики и методы их определения
Плотность грунта ρ — отношение массы грунта к его полному объему: ρ=m/υ (2.1) Единица измерения — г/м3 или г/см3. Плотность определяется из монолитов-образцов грунта ненарушенной структуры.…Производные фазовые характеристики
Плотность сухого грунта ρd — отношение массы частиц грунта к полному объему грунта ρd=ms/V (2.4) Единица измерения — г/м3, г/см3.Классификационные показатели грунтов
Классификационные показатели грунтов применяются для отнесения грунтов к той или иной категории поведения их при возведении на них сооружений.
К классификационным показателям относятся: вещественный состав (гранулометрический и минеральный), характеристики физического состояния (плотность для песчаных и консистенция для глинистых) грунтов.
Гранулометрическим составом грунта называют относительное содержание групп частиц или фракций грунта различной крупности, выраженное в процентах от общей массы абсолютно сухого грунта.
Для его определения проводится гранулометрический анализ, состоящий в разделении навески грунта на составляющие его фракции частиц и обломков (от самых крупных, до очень мелких, размером тысячные доли мм) и последующем определением процентного содержания каждой фракции к массе навески.
В дорожной классификации принято делить частицы грунта на гравийную, песчаную, пылеватую и глинистую фракции.
Гравийные частицы (размер >2мм) не обладают связностью и не набухают в воде. Водопроницаемость их очень велика (>100м/сут) капиллярность отсутствует. Присутствие гравийных частиц в грунте в количестве > 30% придает ему прочность и устойчивость.
Песчаные частицы (размер 2-0,05мм) не обладают связностью и не набухают в воде, водопроницаемость значительная, капиллярное поднято невелико, усадка, пластичность и липкость отсутствуют.
Пылеватые частицы (размер 0,05-0,001мм) характеризуются слабой связностью, набуханием, поднимают воду по капиллярам до 3м высоты, способны переходить в плывуновое состояние, водопроницаемость крайне незначительна.
Глинистые частицы (размер <0,001мм) являются наиболее активной частью грунта, практически водонепроницаемы, обладают большой влагоемкостью и сильно набухают в воде, обладают пластичностью липкостью и коагуляцией, способны к поглощению (адсорбации) веществ из растворов.
Классификация грунтов по гранулометрическому составу, используемая при проектировании и строительстве линейных сооружений, включает в себя три типа — крупнообломочный, песчаный и глинистый
Таблица 2.1.
| Наименование грунта | Размер частиц | Содержание в % |
| Крупнообломочный тип: | ||
| Грунтглыбовый (валунный) | >200мм | >50% |
| Щебенистый (галечниковый) | >10мм | >50% |
| Дресвяной (гравийный) | >2мм | >50% |
| Песчаный тип: | ||
| Песок гравелистый | >2мм | >25% |
| Песок крупный | >0,5мм | >50% |
| Песок средней крупности | >0,25мм | >50% |
| Песок мелкий | >0,1мм | >75% |
| Песок пылеватый | >0,1мм | >75% |
Для типа глинистых грунтов первостепенное значение имеет не размер частиц, а диапазон влажности, в котором грунт будет пластичным, и пористость грунта.
Под пластичностью глинистых грунтов понимают их способность изменять форму без разрыва их сплошности и не восстанавливать её после снятия нагрузки.
Пластичность зависит от содержания глинистых частиц. Чем больше содержание глинистых частиц в грунте, тем в большой степени он обладает пластичностью. Для каждого из глинистых грунтов характерно свое примерное содержание глинистых частиц (d<0,005мм):
супесь 3....10%; суглинок 10....30%; глина >30%. Однако согласно действующим стандартам разновидности глинистых грунтов устанавливаются в первую очередь по числу пластичности Ip равному разности между двумя весовыми влажностями в %: границей текучести WL и границей пластичности (раскатывания) Wp: Ip=(WL-Wp) (2.16)
Первая граница (текучести) WL соответствует влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние.
Вторая граница (раскатывания) Wp соответствует влажности, при которой грунт теряет свою пластичность.
Для определения характерных влажностей WL и Wp разработаны различные методы. Влажность на границе текучести определяют при помощи балансирного конуса Васильева. Влажность теста должна быть такой, чтобы конус погрузился на 10мм за 5сек. Влажность на границе раскатывания соответствует влажности, при которой грунт раскатывается в жгут, который крошится на дольки 8... 10мм и диаметром 2... 3мм.
Учитывая число пластичности Ip и содержание песчаных частиц гранулометрическая классификация типов глинистых грунтов выглядит следующим образом:
Таблица 2.2.
| Наименование грунта | Число пластичности ip % | Содержание песчаных частиц |
| Супесь легкая крупная | 1-7 | >50% |
| Супесь легкая | 1-7 | <50% |
| Супесь пылеватая | 1-7 | 20-50% |
| Супесь тяжелая пылеватая | 1-7 | <20% |
| Суглинок легкий | 7-12 | >40% |
| Суглинок легкий, пылеватый | 7-12 | <40% |
| Суглинок тяжелый | 12-17 | >40% |
| Суглинок тяжелый, пылеватый | 12-17 | <40% |
| Глина песчанистая | 17-27 | >40% |
| Глина пылеватая полужирная | 17-27 | <40% |
| Глина жирная | >27 | - |
Упрощенная гранулометрическая классификация глинистых грунтов для строителей составлена с учетом показателей пластичности и содержания глинистых частиц.
Таблица 2.3.
| Наименование грунта | Показатели пластичности | Содержание глин частиц | |
| Число пластичности | Диаметр жгута | ||
| Глина | >17% | <1мм | >30% |
| Суглинок | 17-7 | 1-3 | 30-10% |
| Супеси | <7 | >3 | 10-3% |
Для глинистых грунтов характерно изменение объема при изменении влажности — уменьшение объема при высыхании — усадка и увеличение объема при увлажнении (впитывании воды) — набухание.
Усадка и набухание являются результатом действия трех видов внутренних сил:
- всасывания — по мере испарения влаги они заставляют воду подтягиваться к поверхности изнутри грунта при усадке или впитываться его поверхностью и перемещаться вглубь при набухании;
- связности (сцепления) — сближают частицы скелета при потере грунтом влаги;
- расклинивания — раздвигают частицы скелета по мере поглощения воды.
Значение этих сил зависит от минералогической природы и гранулометрического состава скелета, концентрации и вида электролитов в поровом растворе начальной влажности и плотности грунта.
При высыхании глины её объем по достижению некоторого предельного значения доли не уменьшается, хотя влага продолжает испаряться. Влагоемкость грунта в этом состоянии называется границей усадки (Ws). В верхних слоях грунта, испытывающих усадку, могут возникать трещины, свидетельствующие о появлении растягивающих усилий (напряжений), так как более глубокие слои медленнее теряют воду и медленнее сжимаются, чем верхние.
Усадка грунта может происходить вследствие внутренней перестройки сложения глинистого грунта, испытывающего с течением времени самоуплотнение с выжиманием на поверхность поровой воды. Это явление — синерезис, может происходить с глинами, даже находящимися под водой.
В глинистых грунтах, при любой влажности меньшей границы раскатывания, поры заполнены водой и степень влажности Sr ~0,8:0,85, испарение воды происходит без дальнейшего уменьшения объема грунта и степень влажности грунта постепенно снижается до нуля.
Набухание грунта характеризуется относительным набуханием в условиях свободного набухания δн=(Vcн-Vнач)*100%/Vнач
где Vcн — объем образца после свободного набухания при замачивании до полного водонасыщения;
Vнач — начальный объем образца природной влажности.
Грунты считают не набухающими при δн<4% и слабонабухающими при 4
δн 8%
набухающие грунты характеризуются величинами давления набухания Psw, влажности набухания Wsw и относительной усадкой при высыхании ɛsh.
За давление набухания Рsw принимается давление на образец грунта, замачиваемого и обжимаемого без возможности бокового расширения, при котором деформации набухания равны нулю. За влажность набухания грунта Wsw принимается влажность, полученная после завершения набухания образца грунта, обжимаемого без возможности бокового расширения заданным давлением.
Если к естественнои залегающему грунту, способному набухать, подвести воду, то по мере впитывания его поверхность начнет постепенно подниматься. Сооружение на этой поверхности будет испытывать снизу давление набухания Рsw. Чтобы сооружение не было приподнято и не деформировалось при неравномерном набухании грунта, его вес должен быть больше суммы сил набухания, действующих на его фундаменты. Давление набухания у некоторых глин может доходить до 500-1000 кПа (0,5-1,0мПа).
При неограниченном доступе воды к набухающему грунту и отсутствии в нем водостойких связей грунт, впитывая воду, распадается. Этот процесс называется размоканием.
Под размоканием понимается дезинтеграция грунта на отдельные частицы или мелкие агрегаты вследствие полного разрушения структурных связей в воде. Разрушение может быть вызвано как растворением цемента связей, так и расклеивающим действием тонких пленок воды. Размокание служит критерием оценки водоустойчивости грунтов в основаниях и в составе земляных сооружений.
Важным классификационным показателем является: плотность сыпучих (песчаных) грунтов.
Плотность сыпучих (песчаных) грунтов, имеющая первостепенное значение для оценки их как оснований сооружений, она оценивается специальными испытаниями: 1) лабораторными — по коэффициенту пористости и по относительной плотности; 2) полевыми — зондированием (динамическим и статическим) в месте непосредственного замечания грунтов.
Для чистых (не слюзистых) песков достаточно определить их природный коэффициент пористостипо пробам естественной структуры, найдя ρ, ρs и ω.
Лабораторными испытаниями — по коэффициенту пористости пески подразделяются на плотные, средней плотности и рыхлые:
Нормативные данные плотности песчаных грунтов Таблица 2.4.
| Виды песчаных грунтов | Коэффициент пористости l | ||
| плотные | средней плотности | рыхлые | |
| Пески гравелистые, крупные и среднезерновые | <0,55 | 0,55-0,70 | >0,70 |
| Пески мелкие | <0,60 | 0,60-0,75 | >0,75 |
| Пеские пылеватые | <0,60 | 0,60-0,80 | >0,80 |
Для характеристики плотности сложения песчаного грунта используются степень плотности сложения или коэффициент относительной плотности сложения: ID=(lmax-l)/(lmax-lmin),
Где lmin — коэффициент плотности в предельно-плотном сложении;
lmax — коэффициент плотности в предельно-рыхлом сложении; lmax и lmin определяют в лабораторных условиях.
По величине ID пески подразделяют на слабоуплотненные ID=0...0,33; среднеуплотненные ID=0...0,33... 0,66 и сильноуплотненные ID=0...0,66... 1.
Полевыми испытаниями — зондированием определяется относительная уплотненность грунтов. Способ статического зондирования — вдавливание в грунт стандартного конуса (Ø-36мм, площадь основания 10см2, L при вершине 600) и определение предельного сопротивления по динамометру.
Обобщенные данные по статическому зондированию приведены в таблице 2.5..
Предельное сопротивление сыпучих грунтов вдавливанию, кгс/см2 при статическом зондировании Таблица 2.5.
| Глубина зонд-я в m | Крупные | Средней крупности | Мелкие | |||
| плотные | средней плотности | плотные | средней плотности | плотные | средней плотности | |
| 150-100 | 100-60 | 60-30 | ||||
| 220-150 | 150-90 | 90-40 |
Способ динамического зондирования основанна на применении стандартного пробоотборника наружным диаметром 51мм, забиваемого вертикально на 30см в грунт (в интервале глубин ниже отметки забоя скважины от 15 до 45см) ударами молота весом 63,5кгс (~635Н) с высоты 71см (число ударов фиксируется). Чем плотнее грунт, тем больше ударов для забивки.
Обобщенные данные о соотношении между числами ударов N и относительной плотностью ID песчаных грунтов приводятся в таблице 2.5.
Данные динамического зондирования пробоотборником Таблица 2.5.
| Число ударов N | Относительная плотность ID | Категория песчаных грунтов |
| 1-4 | очень рыхлый | |
| 5-9 | 0,2-0,33 | рыхлый |
| 10-29 | 0,33-0,66 | средней плотности |
| 30-50 | 0,66-1,00 | плотный |
| >50 | >1 | очень плотный |
Консистенция глинистых грунтов. Плотность (уплотненность) глинистых грунтов определяется их консистенцией, под которой понимают густоту и вязкость грунтов, обусловливающие способность их сопротивляться пластическому изменению формы.
Густота и вязкость грунтов зависят от количественного соотношения твердых частиц и воды в единице объема грунта. Показателем консистенции, или индексом текучести IL служит выражение
IL= (ω-ωp)/(ωL-ωp)= ω- ωp/lp
В зависимости от величины IL различают следующие виды консистенции:
Глины и суглинки:
| Твердая | IL<0, т.е. ω< ωp |
| Полутвердая | IL=0÷0,25 |
| Тугопластичная | IL=0,25÷0,50 |
| Мягкопластичная | IL=0,50÷0,75 |
| Текучепластичная | IL=0,75÷1,0 |
| Текучая | IL>1.0 |
Супеси:
| Твердая | IL<0 |
| Пластичная | 0≤IL≤1,0 |
| Текучая | IL>1,0 |
Консистенция глинистых грунтов может быть оценена так же по результатам статического зондирования (по сопротивлению вдавливанию).
При сопротивлении грунта погружению конуса, кгс/см2:
| Более 100, консистенция твердая; |
| 100-50 консистенция полутвердая; |
| 50-20 консистенция тугопластичная; |
| 20-10 консистенция мягкопластичная; |
| Менее 10 консистенция текучепластичная; |
По показателям консистенции глинистых грунтов назначают расчетное сопротивление оснований сооружений.
Кроме того, консистенция имеет значение для установления применимости расчетных теорий: сплошных деформируемых масс (упругости, пластичности, вязких течений); фильтрационной консолидации; наследственной ползучести и др.
Водонепроницаемость грунтов. Закон Дарси
Фильтрация воды в грунтах. Закон Дарси.
В грунтах различают связанную и свободную воду. Фильтрацией называют движения свободной воды по порам грунта под действием разности напоров.… I=(H2-H1)/l=ΔH/l, (2.17) где ΔH – потеря напора; д – длина участка потока.Начальный гидравлический градиент
Движение воды в глинах начинается лишь после преодоления некоторого значения i'о (рис 2.4.), отсюда для глинистых грунтов, закон Дарси записывают в… Vф=kф(i-iо), (2.22) где iо — начальный гидравлический градиент.Гидродинамическое давление. Суффозия и кальматаж.
Для определения интенсивности гидродинамического давления рассмотрим равновесие силГлава 3. Механические свойства грунтов, их природа, характеристики и методы определения.
При нагрузке на грунт происходит изменение количественного соотношения между твердой, жидкой и газообразной фазами грунта и в грунтовой массе возникают объемные и сдвиговые деформации, которые определяют механические свойства грунтов. В соответствии с требованиями проектирования сооружений (фундаментов) механические свойства грунтов разделяются на две группы: деформационные и прочностные.
Механические свойства подчиняются основным закономерностям механики грунтов:
а) Сжимаемость – закону уплотнения, показателем которого является коэффициент сжимаемости, а практическим приложением – расчет осадок фундаментов;
б) Водопроницаемость – закону ламинарной фильтрации, основным показателем которого является коэффициент фильтрации, а практическим приложением – прогноз скорости осадок водонасыщенных грунтовых оснований;
в) Контактная сопротивляемость сдвигу – условиям прочности, показателями которого являются коэффициенты внутреннего трения и сцепления, а практическим приложением – расчеты предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения;
г) Структурно-фазовая деформируемость – принципу линейной деформируемости, показателем которого являются модули деформируемости, а практическое приложение – определение напряжений и деформаций грунтов.
Наблюдаемые при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений деформации грунта отличаются значительной величиной, развиваются во времени и, как правило, не исчезают полностью после снятия нагрузки. При деформировании грунтов преимущественно проявляются свойства пластичности и ползучести, т.е. пластические деформации. Упругие деформации также имеют место, но они незначительные и развиваются при специальных режимах нагружения. Упругое деформирование грунтов в области больших давлений, например в насыпях железных дорог или в основаниях фундаментов машин с динамическими нагрузками, обеспечиваются искусственной подготовкой грунтовых массивов к упругому режиму работы.
Основная причина существенных деформаций грунтов заключается в уменьшении их пористости при сжатии, разрушении структурных связей, переукладке и взаимном смещении частиц.
Для количественной оценки возникающих в грунтовых массивах напряжений и деформаций необходимо иметь идеализированные модели. Для каждой из них при выполнении практических расчетов необходимо иметь набор расчетных параметров, пригодных для любого напряженного состояния. Такие параметры называют механическими характеристиками.
При решении конкретных задач механики грунтов необходимо определять напряжения в сплошной среде. При схематизации реальных грунтов в виде модели сплошной среды в трехмерном пространстве напряжения и деформации в точке сплошной среды описываются шестью независимыми компонентами (составляющими). В декартовой системе координат Оx,y,z напряженное состояние грунта в точке характеризуется нормальными напряжениями Ϭx, Ϭy, Ϭz и касательными напряжениями τxy, τyz, τzx, а деформированное состояние относительными осевыми деформациями εz, εx, εy и относительными сдвиговыми деформациями γxy, γyz, γzx (рис. а, б)
а) y б) yεx
Ϭz τyz εy
τxy
X x
τzx
τxy Ϭx
Ϭy τyx
τzy
εz
z zz z x
y x y
γzy γzx γxy
Рис. 3.1. а) Напряжение в Рис. 3.1 б) Деформации в
сплошной среде сплошной среде
В механике грунтов принято правило знаков – если внешняя нормаль к площадке совпадает с направлением оси, то положительные направления напряжений противоположны направлению соответствующей оси (положительные направления напряжений, рис.а, положительные направления относительных деформаций, рис.б).
В дальнейшем все механические свойства грунтов будут излагаться применительно только к различным модификациям моделей сплошной среды.
Компрессионные испытания грунтов
Деформационные характеристики
Деформационные свойства грунтов необходимы при изучении закономерностей, связывающих деформации с напряжениями Изучение деформируемости обычных материалов производится при одноосных… Результаты этих испытаний на растяжение и сжатие представлены на диаграмме (рис.1) из которых следует:Прочностные характеристики
Природа прочности горных пород (грунтов)
Внутренние связи в различных породах зависят от свойств горных пород и грунтов (сил внутреннего трения, структурного оцепления Сс и связность… В скальных породах, подобных граниту или известнякам, превалируют жесткие… В сыпучих, несвязных грунтах наибольшее значение приобретают силы внутреннего трения.Предельное сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона.
Рис.3.8. Схемы приборов прямого сдвига с нижней (а) и верхней (б) подвижными… Существует много конструктивных разновидностей сдвиговых приборов, среди которых можно выделить две группы:Испытание прочности грунтов по методу шарового штампа
Сш=0,18*Р/πdS Где Р – нагрузка на шаровой штамп; d – диаметр штампа;Испытания грунтов на сдвиг при простом и трехосном сжатии
При испытании на одноосное сжатие образцов грунта (цилиндров высотой в 1,5-2 раза большей диаметра) увеличивают сжимающую нагрузку до тех пор, пока…Глава 4. Напряжения в грунтовых сооружениях и основаниях
Вопрос об определении напряжений в грунтовой толще имеет важное значение для установления условий прочности и устойчивости грунтов и определения их деформаций (главным образом осадок) под действием внешних сил и собственного веса грунта.
При решении вопроса о распределении напряжений в грунтах в механике грунтов применяют теорию линейно деформируемых тел. Базирующуюся на линейной зависимости между напряжениями и деформациями в упругой среде (закон Гука). В общем случае для грунтов закон Гука неприменим, т.к. при действии внешних сил в грунтах при давлениях, больших структурной прочности, возникают не только упругие, но и значительно большей величины остаточные деформации. Для определения общих деформаций (упругих и остаточных – уплотнения, пластического течения, ползучести и др.) требуется учитывать дополнительные условия, вытекающие из физической породы грунтов, как дисперсных тел – сжимаемость (компрессию), ползучесть скелета и пр. Следует отметить, что теория линейно деформируемых тел справедливы только для массивов грунта при отсутствии в нем областей предельного напряженного состояния, при котором зависимость между деформациями и напряжениями нелинейно. (например, под сооружениями, несущими значительную нагрузку, близкую к предельной, а так же при отсутствии перераспределения фаз грунта в рассматриваемом объеме во времени)
Фазы работы грунта в основаниях сооружений
Распределение напряжений в основании сооружений от сосредоточенной силы.
Решение Буссинеска. При приложении вертикальной сосредоточенной силы к поверхности линейно-деформированного полупространства, ограниченного…Определение напряжений в основании сооружений от нагрузки, распределенной по площадке ограниченных размеров (прямоугольнику). Методом угловых точек.
Значение величины сжимающих напряжений для угловых точек под прямоугольной площадкой загрузки позволяет быстро вычислить сжимающее напряжение для… Для определения сжимающего напряжения Ϭz в любой точке основания… Такой прием определения Ϭz называется методом угловых точек.Особенности оценки напряженного состояния оснований железнодорожных насыпей.
В случае нагружения основания насыпи по закону трапеции напряжения в точке основания могут быть получены с использованием метода наложения…Влияние неоднородности основания на распределение напряжений.
1) при наличии жесткого подстилающего слоя напряжение Ϭz концентрируется по оси нагрузки, увеличиваясь по мере приближения жесткого слоя к…Распределение напряжений от собственного веса грунта.
При горизонтальной поверхности грунта вертикальное напряжение Ϭzg на горизонтальной площадке, проходящей через точку, расположенную на глубине… Ϭzg=γ*z, Где γ=ρ*g –удельный вес грунта; ρ – плотность грунта; g – ускорение свободного падения. (9.81 м/с2)Глава 5. Прочность и устойчивость оснований
Понятие о прочности устойчивости оснований.
- I фазой уплотнения; - II фазой локального нарушения прочности; - III фазой нарушения устойчивости основания.Оценка прочности грунтов основания без учета нормальных напряжений.
При этом возможны три варианта оценки прочности: 1) в конкретной точке основания по конкретному направлению площадки; 2) в конкретной точке основания;Оценка прочности грунтов с учетом нормальных напряжений
При этом, существуют только два варианта оценки прочности: в конкретной точке основания и основания в целом. Для оценки прочности в точке можно использовать коэффициент запаса прочности:… При этом, следует рассматривать три случая:Первая критическая нагрузка. Расчетное сопротивление грунта.
Нагрузка, являющаяся границей между I и II фазами работы грунта основания (первая критическая нагрузка), соответствует появлению предельного… Кзап=Sω/max τmax=Sω* π/Po=1 Решая это условие относительно Ро получаем Pкр1=Ро= π*S ωВторая критическая нагрузка по условию обеспечения общей устойчивости основания сооружений.
Нагрузка, отнесенная к границе между II и III фазами, называется предельной, или второй критической нагрузкой Ркр2. (Г.В. Паукер, Л. Прандл, В.В. Соколовский, В.Г. Березанд)Глава 6. Деформации грунтов и расчет осадки фундаментов. Несущая способность оснований.
Виды деформации грунтов и причины их обусловливающие.
Факторами, определяющими долговечность сооружений, являются не напряжения в грунте (если они не достигают предельных величин), а деформации… За последние десятилетия на базе теории расчета осадок грунтовых оснований и… Sрасч≤Sпр;Упругие деформации грунтов и методы их определения.
При действии местной нагрузки (большей структурной прочности грунта) и однократной нагрузке и разгрузке в грунте будут наблюдаться как остаточные,… Если увеличить нагрузку на грунт, сверх той, при которой грунт принял… Если грунт обладает связностью, то до нагрузки, не разрушающей структурных связей, и при малых перемещениях частиц и…Определение конечной осадки сооружения
В зависимости от геологического строения грунтового основания применяют одну из следующих расчетных моделей: - при более или менее однородном строении сжимающей толщи – модель однородного… - при наличии в нижней части сжимаемой толщи слоя грунта с модулем деформации более 100МПа – модель сжимающего слоя…Определение хода осадок во времени
Уплотнение водонасыщенного грунта возможно только при отдавливании поровой воды за пределы контура сооружения. При этом скорость отдавливания… Конечная осадка сооружения определяется методом послойного суммирования S=ΣSi=S1+S2+S3+S4+S5+S6Учет влияния на осадку сооружения соседних фундаментов.
Виды сопротивления основания.
Р=Р/F, Где Р – общая нагрузка на фундамент; F- площадь подошвы фундамента.Расчет несущей способности основания.
Рп=Ф/F (6.1) Площадь основания F определяется как произведение приведенных ширины b и l… B=b-2eb;Глава 7. Устойчивость откосов. Подпорные стены.
Устойчивость откосов является сложной проблемой в строительной науке, для решения которой необходим комплекс знаний из инженерной геологии, механики грунтов и строительных конструкций.
Откосом, как правило, называется искусственное земляное сооружение, устраиваемое для сопряжения двух разных горизонтов земли. Надо отметить, что между понятиями «откос» и «склон» не существует принципиальных различий. Откосы обычно создают строители, а склоны – природные процессы и формирования рельефа.
В геоморфологическом плане склоны (откосы) подразделяются по крутизне: очень пологие 0-5о; пологие 5-18о; крутые 18-35о и очень крутые – свыше 35о.
По времени откосы делятся на временные – это откосы котлованов и траншей, и постоянные – это откосы насыпей и выемок. В зависимости от грунтов, которыми сложены откосы, выделяются грунтовые откосы, состоящие из рыхлых и глинистых горных пород, и скальные откосы состоящие из магматических, метаморфических или сцементированных осадочных.
Грунтовые откосы
Для склона можно выделить три основные стадии по устойчивости. Первая стадия – устойчивый склон, имеющий равновесный профиль, слабый смыв грунта;… Для анализа состояния рельефа главная роль принадлежит законам механики…Сопротивление грунта сдвигу.
Уравнение предельного равновесия, предложенное физиком Ш.О. Кулоном, взять за основу во многие методы расчета устойчивости откосов. Согласно закону Кулона состояние предельного равновесия наступает тогда, когда… N- удерживающая сила (составляющая веса грунта Р, действующая перпендикулярно плоскости аа);Временные откосы
hк=2,67*с/γ*tg(45+φ/2), где е- удельное сцепление; γ- удельный вес; φ- угол внутреннего… Если на бровке котлована имеется равномерно-распределенная нагрузка Р, то hк вычисляется по формуле:Методы расчета устойчивости откосов.
Для i-ого отсека (i=1,2,3,…n) даны геометрические параметры (у^I, уi, у^1-I, уI-1)- ординаты вершин, bi- ширина отсека и геотехнические параметры…Скальные откосы