4

В.К. Иноземцев, В.И. Редков, О.В. Иноземцева

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Курс лекций

по дисциплине «МЕХАНИКА ГРУНТОВ»

Для студентов специальностей

«Промышленное и гражданское строительство»,

«Производство строительных конструкций»,

«Теплогазоснабжение и вентиляция»

и студентов-бакалавров направления «Строительство»

САРАТОВ 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лекция № 1. Происхождение, состав и физические свойства грунтов 5

Лекция № 2. Механические свойства грунтов 19

Лекция № 3. Определение напряжений в массиве грунта. Фазы напряжен-

ного состояния грунта. Напряжения в грунтовом массиве от

действия сосредоточенной силы 46

Лекция № 4. Определение напряжений в массиве грунта. Напряжения в

грунтовом массиве от действия распределенной нагрузки

и от собственного веса грунта 53

Лекция № 5. Деформации грунтов и расчет осадок фундаментов. Виды де

формаций грунта, определение осадок слоя грунта ­–

одномерная задача уплотнения 57

Лекция № 6. Деформации грунтов и расчет осадок фундаментов. Метод

послойного суммирования, метод линейно деформируемого

слоя. Изменение осадок во времени 63

Лекция № 7. Теория предельного напряженного состояния и расчет

устойчивости оснований 67

Лекция № 8. Устойчивость грунтов в откосах. Давление грунтов

на ограждающие конструкции 80

Литература 90

Перечень вопросов (дидактических единиц) по дисциплине «Инженерная геология», предваряющих изучение дисциплины «Механика грунтов»

ТЕМА1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД. Классификация пород. Показатели физико-механических свойств пород.

ТЕМА 2. ПРИРОДА И ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВ, ДВИЖЕНИЕ ПОРОД СО СКЛОНОВ. Обвалы, осыпи и оползни. Причины образования оползней и их классификация. Меры борьбы с оползнями. Строительные работы в оползневой зоне и на склонах

ТЕМА 3. ПРОСАДКИ, ПРОВАЛЫ, ПЛЫВУНЫ И СУФФОЗИЯ. Лесс, его свойства и реагирование лессовых пород на замачивание. Методы оценки реагирования лесса и лессовых пород на замачивание. Меры, обеспечивающие устойчивость сооружений, возводимых на просадочных грунтах. Природа плывунов и суффозии. Плывуны как основание сооружений и методы строительства.

ТЕМА 4. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ. Типы и режим грунтовых вод. Приток воды к колодцу, канаве, котловану. Методы определения коэффициента фильтрации и взаимодействие водозаборов.

ТЕМА 5. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ОБЪЕМ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. Иссле-

дования для стадии проектного задания. Исследования для стадии технического задания или рабочих чертежей. Исследования в связи с надстройкой зданий. Исследования для стадии планировочного проектирования градостроительных работ. Инженерно-геологическая съемка. Организация наблюдений за режимом грунтовых вод. Испытание грунтов статической нагрузкой и расчет осадки. Обработка материалов исследований и составление отчета.

ТЕМА 6. ОЦЕНКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ОСОБЫХ СЛУЧАЯХ. Неоднородность грунтов оснований. Строительство на насыпных и торфянистых грунтах. Режим, строение толщи и подземные воды в области многолетней мерзлоты. Условия строительства в области многолетней (вечной) мерзлоты.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Основанием называется напластование грунтов, воспринимающее давление от сооружения.

Несущим слоем основания называется слой основания, на который опирается подошва фундамента; остальные слои называются подстилающими.

Грунтами называются рыхлые горные породы коры выветривания литосферы.

Фундаментами называются подземные конструкции здания или сооружения, предназначенные для передачи нагрузки от сооружения на грунтовое основание.

Механика грунтов изучает физические и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки устойчивости грунтовых массивов и давления грунта на сооружения.

Лекция № 1.

ПРИРОДА ГРУНТОВ

И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Происхождение горных пород. Состав, строение и состояние грунтов. Физико-механические свойства грунтов основания. Определение расчетных характеристик физических свойств грунтов.

Происхождение горных пород

По своему происхождению (генезису) горные породы делятся на:

• магматические (образовались при остывании магмы и горообразовательных процессах);

• осадочные (образовались в результате физического и химического выветривания горных пород и осаждения продуктов выветривания из воды и воздуха);

• метаморфические (образовались в результате изменений магматических и осадочных пород под влиянием высоких температур и больших давлений).

В механике грунтов, являющейся частью общей геомеханики, грунтами называются рыхлые горные породы коры выветривания литосферы – несвязные и связные, прочность связей в которых во много раз меньше прочности минеральных частиц.

Верхние слои земной коры (литосферы) в основном сложены крупнообломочными, песчаными, пылевато-глинистыми, биогенными и техногенными грунтами.

В отличие от весьма прочных скальных пород (магматических, метаморфических и осадочных), характерной особенностью грунтов является их раздробленность (дисперсность).

Большая часть дисперсных грунтов образовалась в результате физического и химического выветривания горных пород.

Биогенные грунты образовались в результате отложения органических веществ (торф и др.), а техногенные – в результате искусственной отсыпки или намыва различных материалов.

В процессе физического выветривания образовались крупнообломочные и песчаные грунты. В результате химического и частично биологического выветривания образовались минералы, составляющие мелкодисперсную часть пылевато-глинистых грунтов.

Осадочные грунты по своему происхождению делятся на:

• континентальные;

• морские.

К морским относятся отложения современных и древних морей. Древние морские отложения – мелы, песчаники, известняки, доломиты, мергели, юрские и девонские глины.

Возраст природных грунтов – от нескольких сот тысяч до сотен миллионов лет. В зависимости от возраста грунты относят к различным геологическим системам. Самыми молодыми осадочными грунтами являются отложения четвертичной системы, их возраст 1-2 млн. лет. Более древние грунты относятся к следующим системам: неоген (N), палеоген (P), меловая (K), юрская (J), триасовая (T), пермская (P), каменноугольная (C), девонская (D), силурийская (S), ордовикская (O), кембрийская ( ). Например, возраст кембрийских глин составляет около 500 млн. лет.

В инженерной деятельности в основном используются осадочные грунты четвертичного возраста, которые подразделяются на генетические типы:

• элювиальные (продукты выветривания, оставшиеся на месте образования);

• делювиальные (отложения дождевых и талых вод на склонах и у подножия возвышенностей);

• аллювиальные (речные отложения);

• эоловые (осаждения из воздуха);

• озерные;

• озерно-аллювиальные;

• пролювиальные (отложения бурных дождевых потоков в горных областях);

• гляциальные (ледниковые отложения);

• флювиогляциальные (отложения ледниковых потоков);

• морские.

Состав грунтов

В общем случае грунт состоит из трех компонентов (трехфазная система):

• твердые минеральные частицы;

• вода в различных видах и состояниях;

• газообразные включения.

Твердые минеральные частицы

С остав грунта:

Поры (воздух, вода)

Грунт, состоящий из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, является двухкомпонентной (двухфазной) системой.

Мерзлые грунты содержат лед и являются четырехкомпонентными (четырехфазными) системами.

Состав грунтов оказывает существенное влияние на его механические свойства.

Твердые минеральные частицы представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам твердых минеральных зерен.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов, которые в совокупности образуют пространственную структуру грунта, способную сопротивляться изменениям объема и формы.

Такие минералы, как кварц, полевой шпат, гидрофобны и не меняют свойств в водной среде. Среди осадочных пород такими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующиеся при их цементации песчаники и конгломераты.

К растворимым в воде минералам относятся гипс, кальцит, галит и некоторые другие. Такие породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены водорастворимыми минералами.

В состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения. Органические вещества в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса. Наличие небольшого количества таких веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5 % в пылевато-глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.

Вода в грунтах, ее виды и свойства могут быть весьма разнообразными в зависимости от ее содержания и величины электромолекулярных сил взаимодействия с минеральными частицами. Твердые частицы грунта имеют на поверхности кристаллических минералов отрицательный заряд статического электричества. Молекулы воды, являющиеся диполями (атом кислорода заряжен положительно, два атома водорода – отрицательно), попадая в поле заряда минеральной частицы, притягиваются к ее поверхности. В результате поверхность твердой частицы покрывается слоями молекул воды.

Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной. Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул образуют пленки прочно связанной адсорбированной воды. Свойства этой воды существенно отличаются от свойств свободной воды, а плотность достигает 1,2-1,4 г/см³, она имеет повышенную вязкость и не замерзает при температуре до –100^о С.

Следующие слои молекул связаны с минеральной частицей значительно меньшими силами, образуют слой рыхлосвязанной воды. Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью твердых частиц, образуют свободную (гравитационную) воду и капиллярную. Свободная вода подчиняется законам гидравлики, передает гидростатическое давление и может перемещаться под действием разности напоров. За счет сил поверхностного натяжения вода в капиллярах поднимается над уровнем подземных вод на высоту от 3,5 см в песках до 6,5 м в суглинках.

Газы в грунте могут быть в свободном или в растворенном в воде состоянии. Свободный газ подразделяется на незащемленный, сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся между твердыми частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится некоторое количество растворенного газа. Содержание в грунте защемленного и растворенного газа существенно отражается на свойствах грунта и протекающих в них процессах.

Структурные связи образуются между отдельными частицами и агрегатами в грунте на протяжении всей истории формирования и изменения горной породы. Для скальных грунтов характерны жесткие необратимые кристаллизационные связи, которые не восстанавливаются при разрушении.

Нескальные грунты по характеру структурных связей подразделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины). К несвязным – крупнообломочные и песчаные грунты.

Структурные связи в глинистых грунтах определяются электромолекулярными силами взаимного притяжения и отталкивания между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Такие связи называются водно-коллоидными. Они являются вязкопластичными, мягкими и обусловливают связность глинистых грунтов. Их прочность зависит от расстояния между частицами, заряда на их поверхности, состава и содержания ионов в поровой воде. При повышении влажности прочность водно-коллоидных связей быстро уменьшается почти до нуля. По классификации акад. П.А. Ребиндера, водно-коллоидные связи водонасыщенных глинистых грунтов подразделяются на коагуляционные (первичные, возникающие при выпадении частиц в воде и свертывании коллоидов) и конденсационные (возникающие при уплотнении коагуляционных структур).

Структура грунта определяется размерами, формой частиц грунта, их количественным соотношением в единице объема.

В условиях естественного залегания грунты состоят из совокупностей частиц разного размера и формы.

Твердые частицы грунта принято классифицировать по размерам, мм:

• валунные > 200 мм;

• галечные (щебенистые) 200 – 20 мм;

• гравелистые (дресвяные) 20 – 2 мм;

• песчаные 2 – 0,5 мм;

• пылеватые 0,05 –0,005 мм;

• глинистые < 0,005 мм.

Песчаные частицы подразделяются на крупные, средней крупности, мелкие и тонкие, а пылеватые – на крупные и мелкие. Крупные частицы грунта разделяют просеиванием через сита, а частицы менее 0,1 мм определяют по скорости падения частиц в воде.

Глинистые минералы в большинстве случаев гидрофильны, что обусловлено их поверхностной активностью по отношению к воде. Глинистые минералы имеют пластинчатую (каолинит, монтмориллонит) или игольчатую (аттапульгит) форму с размерами кристаллов 1-2 мкм. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см³ или 1 г). Например, частицы глинистого минерала каолинита имеют удельную поверхность 10 м²/г, а монтмориллонита – 800 м²/г. Содержание глинистых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунтов.

В зависимости от процентного соотношения (по массе) в единице объема того или иного размера частиц грунты подразделяются на типы (табл. 1.1) .

Таблица 1.1

Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

по гранулометрическому составу

Наименование грунта	Размер частиц, мм	Масса частиц, % от массы воздушно-сухого грунта
Крупнообломочный: валунный (глыбовый) галечный (щебенистый) гравийный (дресвяный) Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	> 200 > 10 > 2 > 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1	> 50 > 50 > 50 > 25 > 50 > 50 75 < 75

Пылевато-глинистые грунты принято классифицировать в зависимости от количества глинистых частиц в процентах (по массе) (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Классификация пылевато-глинистых грунтов

Наименование грунта	Содержание глинистых частиц по массе , %	Число пластичности
Глина Суглинок Супесь	> 30 30-10 10-3	> 17 17 7

Текстура грунта определяет пространственное расположение частиц и их агрегатов, зависящих от условий образования грунта. Различают слоистую, слитную и ячеистую текстуры.