Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет «Львівська політехніка»

Курсовий проект

З «Грунтознавства і механіки грунтів»

Виконав:

Студент гр.. АДА-31

Йордан О.В

Прийняв:

Топилко Н.І.

Львів 2014

Зміст

1. Вступ ______________________________________________________3

2. Визначення розрахункових похідних показників ґрунтів ___________4

3. Розрахунковий опір ґрунту основи та можливість використання схеми лінійно-деформованого середовища для розрахунку осідання основи ___ 8

4. Визначення граничного опору (несучої здатності) ґрунтової основи __8

5. Розрахунок осідання _________________________________________10

6. Література__________________________________________________12

1.Вступ

В механіці ґрунтів розглядається напружено-деформований стан середовища, що складене дисперсними ґрунтами. При цьому в задачах шари ґрунтів, що виділяються, розглядаються як однорідні за мінералогічним і гранулометричним складом та показниками фізичних і механічних властивостей. Залягання окремих шарів, як правило, приймається горизонтальним при витриманій їх потужності. Це дає уяву про спрощену модель ґрунтового середовища, забезпечує встановлення основних закономірностей в ґрунтовому середовищі та теоретичного рішення задач про напруження, деформації та граничний стан в умовах заданих зовнішніх навантажень. В натурних умовах властивості ґрунтового середовища набагато складніші, що вимагає розробки спеціальних моделей ґрунтового середовища, використання рішень в нелінійній постановці, врахування додаткових умов для особливих ґрунтів та складних інженерно-геологічних ситуацій.

Для надання завданню елементів наукових досліджень визначення критичного тиску на основу пропонується виконати за рішеннями різних авторів та на основі аналізу зробити висновок про їх розбіжність та визначальний вплив на цей тиск окремих факторів. Вирішенню цих завдань і підпорядкована побудова методичних вказівок. Необхідно зауважити, що в тексті з цією метою обмежено теоретичні рішення та формульні викладки, але в повній мірі розкриті розрахункові схеми та наведені довідкові табличні дані, що полегшують виконання завдання.

Грунти для верхньої частини земляного полотна класифікують за складом на: осадові незцементовані грунти по СТБ 943-2007 і глинисті грунти за ТКП 45-3.03-19. До підгрупи глинистих грунтів відносять лесовидні грунти, які за числом пластичності поділяють на супіски, суглинки і глини.

Для насипів, у будь-яких умовах, дозволяється застосовувати грунти та відходи промисловості, які не змінюють своїх міцнісних властивостей під впливом погодно-кліматичних умов (ТКП 200-2009 “Автомобільні дороги. Земляне полотно. Правила проектування”). Грунти та відходи промисловості, із змінними у часі характеристиками міцності, допускається застосовувати з обмеженнями або передбачати спеціальні заходи щодо захисту від цього фактору.

Коефіцієнт фільтрації дренуючих грунтів після ущільнення повинен бути не менше 2 м/добу.

Основи земляного полотна поділяють на слабкі і іншні. До слабких відносять основи, в яких у межах активної зони є шари слабких грунтів потужністю не менше 0,5 м. До таких основ є додаткові вимоги: виключення бічного розширення слабкого грунту, завершення осідання до моменту влаштування покриття, обмеження пружних коливань.

Активна зона основи – це частина основи, яка сприймає додаткові напруження і викликані ними деформації і переміщення відносно нерухомого грунту. В якості нижнього шару активної зони приймають:

• шар міцного і малостисливого грунту (m₀ 0,05 МПа^-1), який підстилає слабку товщу;

• шар на якому вертикальні нормальні напруження від зовнішнього навантаження і власної ваги основи не перевищують значень структурної міцності слабкого грунту при компресійному стисненні.

При відсутності цих даних орієнтовно товщину активної зони основи із прошарками слабких грунтів приймають у межах 10-15 м при проектуванні насипів висотою до 12 м і не менше півтора висоти насипу при висоті насипу більше 12 м. Теоретично в дорожньому будівництві можна використовувати всі грунти, однак для окремих їх типів слід передбачати конструктивні та технологічні заходи щодо регулювання водно-теплового режиму. Тому, на практиці грунти мають деякі обмеження для використання в дорожніх конструкціях. Всі грунти класифікують за придатністю для спорудження земляного полотна в залежності від їх дорожньо-будівельних властивостей.

Укріплення грунтів

Штучну зміну природного стану грунту з метою покращення його властивостей для забезпечення вимог певних видів будівництва називають укріпленням грунту. В питаннях укріплення використовують два основні поняття: зміцнення і стабілізація грунту. Зміцненням грунтів називають ряд послідовних технологічних операцій з використанням певних речовин, які забезпечують високу міцність і тривалу стійкість грунту як в сухому, так і у водонасиченому стані. Стабілізацією називають збереження притаманних грунту природних особливостей при дії навантаження. Зміцнення і стабілізація грунту може здійснюватись без порушення (глибинні методи) і з порушенням (поверхневі методи) природної будови і залягання грунтів.

Методи укріплення грунтів поділяють на чотири основні групи: механічні, фізичні, фізико-хімічні та хімічні До механічних методів належать механічне ущільнення дисперсних грунтів статичним і динамічним навантаженням, сейсмічне ущільнення, віброущільнення, зневоднення (осушення), водонасичення грунтів.

Ущільнення дисперсних грунтів статичним і динамічним навантаженнями може проходити так:

• гравітаційне ущільнення пухких відкладень, яке полягає в ущільненні або консолідації слабких або особливих грунтів шляхом їх навантажування шаром піску або гравію потужністю 2-3 м (в дорожньому будівництві цей метод має назву методу пригрузки);

• ущільнення грунтів укаткою (статичне ущільнення) з допомогою самохідних або причіпних катків масою від 5 до 10 т і більше (є обов'язковою технологічною операцією при спорудженні земляного полотна і конструктивних шарів дорожнього одягу);

• ущільнення грунтів трамбуванням (динамічне ущільнення), здійснюється послідовними ударами падаючого вантажу (трамбівки) масою від 1 до 4 т (найбільш ефективне при ущільненні глинистих грунтів);

• ущільнення масиву грунту палями (пальове ущільнення), здійснюється за рахунок зменшення пористості породи навколо паль, занурених у грунт.

Метод сейсмічного ущільнення грунту (енергією вибуху) полягає в ущільненні грунту поверхневими, глибинними або підземними вибухами. Цей метод застосовують при створенні у глинистих грунтах підземних ємностей для зберігання рідин і газів, а також при ущільненні водонасичених піщаних грунтів.

Віброущільнення грунтів може бути поверхневим і здійснюватись за допомогою вібруючих плит, або глибинним (гідровіброущільнення). Глибинне віброущільнення застосовують при ущільненні основ і дорожнього одягу доріг і аеродромів, піщаних подушок, дамб, насипів на глибину від 20 см до 5-7 м.

Водонасичення застосовують для усунення просадкових явищ у лесах, що призводить до порушення структурних зв'язків, і як наслідок зменшення пористості грунту.

Слід мати на увазі, що у глинистих грунтах із низьким коефіцієнтом фільтрації процес самоущільнення може тривати десятиліттями. Це стосується насамперед дуже пористих водонасичених глин і суглинків, а також торфів. Для прискорення ущільнення таких грунтів використовують додаткове навантаження шару слабкого водонасиченого грунту насипом і улаштуванням водозбірних дрен в шарі слабкого водонасиченого грунту.

Дренування полягає в створенні штучних пор для руху грунтової води у завчасно передбаченому напрямі (у більшості випадків – угору). Для цього поверхню ділянки планують зі схилом від середини до краю, на неї укладають шар матеріалу, що добре фільтрує воду. У товщі слабкого грунту влаштовують піщані палі або з допомогою механізмів занурюють картонні дрени заводського виготовлення. План розміщення дрен, їх переріз та відстань між ними встановлюють розрахунком, виходячи з умови 90%-ної консолідації основи або залежно від термінів ущільнення грунту будівельного майданчика. Дрени розміщують у вершинах квадратів або рівнобічних трикутників із відстанями між піщаними стовпами 1,5-3 м, а між дренами заводського виготовлення – 0,5-2 м. Далі з місцевого грунту влаштовують штучний насип, який навантажує товщу слабкого грунту, що спричиняє в грунтовій воді поровий тиск, а потім і рух води по палях або дренах угору й по фільтруючому шару за межі ділянки. Із витісненням води поступово відбувається ущільнення.

До фізичних методів укріплення грунтів відносять електрохімічне закріплення, термічне зміцнення.

Відомо, що при пропусканні через ґрунт постійного електроструму виникає рух вільної та зв'язної води від позитивного електрода (анода) до негативного (катода). Це явище одержало назву електроосмосу. Якщо відкачувати воду, котра накопичується біля катода, можна значно зменшити вологість ґрунту. Якщо розмістити електроди паралельними рядами на відстані 0,5-3 м і підключити до одного ряду позитивний полюс генератора постійного струму, а до другого – негативний, то, використовуючи як катоди звичайні голкофільтри, можна порівняно легко осушити глинисті ґрунти з малими коефіцієнтами фільтрації, із яких інакше відкачати ґрунтову воду неможливо. Удосконалюючи таку схему, можна і позитивні електроди (аноди) зробити перфорованими й нагнітати через них у ґрунт рідке скло та коагулятори. Одночасно з рухом ґрунтової води в цьому випадку відбувається закріплення ґрунту. Відстань між електродами приймають таку ж, як і для електроосмосу, а щільність струму визначають дослідним шляхом. Було встановлено, що ґрунт, закріплений шляхом пропускання крізь нього постійного електричного струму, набуває водостійкості, у процесі осушення й ущільнення стає більш міцним і при наступному зволоженні зберігає набуті якості.

Термічне зміцнення – це укріплення грунту з допомогою нагнітання в нього повітря прогрітого до високих температур під тиском через свердловини. Залежно від температури і часу її впливу, термічне оброблення поділяється на прогрів (t=500-600°С); випал (t до 1000°С ) і клінкерування (t>1000°С). Залежно від величини температури в грунтах переважають такі процеси: дегідратація та агрегація часток; розм'якшення дисперсних часток грунту, що приводить до спікання і перебудови структури грунту; дисоціації карбонатів і часткове руйнування алюмосилікатів з утворенням аморфного кремнезему, що призводить до утворення кальцієвих силікатів і алюмосилікатів яким притаманні властивості в'яжучих матеріалів; плавлення і кристалізація.

Наприклад, глибинний випал передбачає нагнітання у пористу лесову породу через жаротривкі трубопроводи гарячого повітря, нагрітого до температури 600-900°С, і підтримку надлишкового тиску в 0,1-0,2 МПа. Радіус зміцнення навколо свердловини складає 1-1,5 м. При температурі 300-400°С леси значно втрачають свої просадкові властивості, а при температурі 700-900°С набувають властивості випаленої кераміки (цегли).

Хімічні методи укріплення базуються на введенні у грунт певних хімічних речовин, що призводить до зміни його складу, характеру структурних зв’язків та значно підвищує показники міцності та деформаційної стійкості.

Найбільше поширення в практиці будівництва здобула однорозчинна або дворозчинна силікатизація, тобто нагнітання в грунт розчинів, які містять рідке скло (натрію силікат Na₂SiO₄). Силікатизація дещо нагадує процес утворення пісковиків в природних умовах.

Однорозчинна силікатизація полягає в закачуванні в ґрунт через ін'єктори – металеві перфоровані труби, які змонтовані з ланок 1-1,5 м завдовжки та діаметром 38 мм, рідкого розчину натрію силікату з добавками коагуляторів. Залежно від технологічної схеми ін'єктори розташовують вертикально, похило або навіть горизонтально щодо поверхні грунту. Глибина закріплення залежить від ґрунтових умов й особливостей будівель.

При дворозчинній силікатизації, яка була запропонована професором Б. О. Ржаніциним у 1929 р., через ін'єктори підтиском 0,2-0,3 МПа по черзі нагнітають розчини рідкого скла (Na₂O·пSiO₂) і кальцію хлориду (СаС1₂). Такий метод використовують для закріплення пісків. Закріплювач подають при зануренні ін'єкторів зверху вниз, а розчин для тужавіння маси під час зворотного руху ін'єкторів – знизу вверх. Взаємодія натрію силікату з сіллю типу кальцію хлорид в природному грунті, приводить до створення гелю кремнієвої кислоти. Останній із часом тужавіє і через 28 діб міцність штучно створеного матеріалу досягає 0,4-1,5 МПа.

Найбільший ефект від використання дворозчинної силікатизації виникає при закріпленні лесового ґрунту з коефіцієнтом фільтрації більше ніж 0,2 м/добу. При цьому спостерігається: зниження пористості на 7%; зниження числа пластичності на 64%; збільшення щільності на 6%; збільшення зчеплення до 8,5 разів; збільшення кута внутрішнього тертя майже до 1,2 разу; збільшення модуля деформації до 6 разів; зменшення коефіцієнта відносної просадочності у 15 разів.

Хімічне рівняння реакції закріплення за дворозчинною силікатизацією має вигляд:

Na₂O·пSiO₂+ СаСl₂ + тН₂O = пSiO₂ (т-1)Н₂O + Са(ОН)₂ + 2NаСl. (2.10.6.)

Перший доданок правої частини рівняння – гель кремнієвої кислоти. Досвід показав, що використання методу силікатизації за рівнянням (2.10.6) дозволяє надійно закріпляти лише незабруднені хімічними речовинами ґрунти. Коли використовувати цю рецептуру для закріплення ґрунтів, забруднених кислими промисловими стоками, виникає явище швидкого гелеутворення з кольматацією пор ґрунту навколо ін'єктора. Як наслідок – неможливість або ускладненість просочування розчину у ґрунт. Це може призвести до неоднорідного закріплення, так званої "острівної силікатизації".

Сучасні дослідження показали, що найбільш ефективними рецептурами силікатизації, які дають стабільні результати закріплення навіть у забруднених ґрунтах при високих показниках екологічних вимог, є: силікатно-натрієво-фосфорнокисла та силікатно-калієво-фосфорнокисла рецептура. Доведено, що калієві гелі, на відміну від натрієвих, у більшій мірі забезпечують стабільність технологічних умов силікатизації. Крім того, міцність калієвих гелів у 1,4 рази більша, ніж натрієвих.

Для закріплення лесового ґрунту використовують також газову силікатизацію, при якій, крім нагнітання розчину рідкого скла, через ін'єктори в ґрунт подають вуглекислий газ. Останній сприяє швидкому та повному тужавінню закріпленої маси ґрунту.

Таким чином, щоб мати надійні результати силікатизації ґрунтів, необхідно на кожному будівельному майданчику проводити детальні дослідження, у тому числі хімічні аналізи ґрунтів і дослідні роботи, для того, щоб на основі цих даних підібрати відповідну рецептуру закріплення і спосіб подавання розчину у грунт. Закріплення грунту за допомогою силікатизації використовують для створення суцільного масиву закріпленого ґрунту під стрічкові фундаменти або плити та у вигляді поодиноких масивів під окремі фундаменти, між якими є ділянки незакріпленого грунту.

Довговічність піщаних і глинистих ґрунтів, закріплених силікатизацією, визначають стійкістю гелю кременевої кислоти й інших кристалічних сольових утворень, які знаходяться у поровому просторі, до впливу різних агресивних хімічних розчинів (кислотних, лужних, сольових,), відомо, що: у нейтральних і кислих середовищах гель кременевої кислоти не руйнується, тобто закріплений ґрунт стійкий невизначено довгий період; лесові ґрунти у кислому середовищі невеликої концентрації навіть додатково зміцнюються; стійкість силікатизованих ґрунтів різко зменшується у лужному середовищі при рН>10,5, але в природних умовах завдяки водопроникності силікатизованих масивів, при контакті агресивного середовища з поверхнею закріпленого ґрунту (особливо лесового) вірогідна лише дифузна взаємодія і явної десилікатизації не виникає.

Закріплення ґрунтів лужними розчинами було запропоновано у 80-их роках XX сторіччя. Цей метод можна вважати альтернативою методу силікатизації при закріпленні водонасичених лесових ґрунтів. Закріплення полягає у тому, що в ґрунт за технологією силікатизації подається лужний розчин високої концентрації (більше ніж 2,5н). Для цього використовується розчин натрію гідрооксиду (в промисловості відомий під назвою каустика). У часі, внаслідок взаємодії глинистих мінералів із лугом, ґрунт набуває високої міцності і водостійкості при порівняно невеликих загальних витратах. Деякі фахівці, не піддаючи сумніву якість та надійність закріплення, звертають увагу на те, що при введенні в ґрунт великої кількості лугу він не повністю нейтралізується й чинить на навколишнє середовище шкідливий вплив. Одночасно забруднена основа за рахунок вільного лугу агресивно впливає на будівельні матеріали і конструкції.

Смолізація, тобто нагнітання в ґрунт карбамідної смоли з соляною або щавлевою кислотою, використовується для закріплення піщаного ґрунту різної крупності. Технологія робіт аналогічна силікатизації. Деякою перевагою смолізації перед силікатизацією є можливість досягнення більшої міцності закріпленого масиву.

Для закріплення ґрунту із високими значеннями водопроникності (вивітрілі скельні породи, гравій, галька, гравійні та крупні піски), іноді застосовують цементацію, тобто нагнітання в ґрунт суміші цементу, води і добавок у вигляді дрібного піску, кам'яного борошна, іноді бентонітової глини, а також хімічних речовин для прискорення або, навпаки, сповільнення тужавіння розчину. Обладнання для цементації використовують те ж саме, що й для силікатизації або смолізації. Для того, щоб виключити просочування розчину через свердловину нагору, верхню її частину влаштовують більшого діаметра і заповнюють цементним розчином, а потім після його тужавіння та утворення цементного стовпа через нього знов пробурюють свердловину. Радіус закріплення визначають дослідом.

Для зниження водопроникності масиву іноді застосовують нагнітання розплавленого бітуму або бітумної емульсії в скельну породу. В цьому випадку ін'єктори розташовують на відстані 0,8-2 м. Для того, щоб бітум не холонув під час введення його в ін'єктори, останні обігрівають за допомогою електроструму. Закачування бітумної емульсії такого обігрівання не потребує. Бітумізацію використовують також для утворення водонепроникних завіс у масиві грунту.

Вихідні дані:

Варіант №6. За заданих грунтових умов, а саме див. рис.1.:

• Шар 1. Глинистий грунт. Товщина шару h₁=5,8м. Основні фізичні показники: W=15%, W_L=28%, W_p=22%, ρ=1,95 г/см³, ρ_s=2,86 г/см³

• Шар 2. Пісок дрібний. Товщина шару h₂=5,2м. Основні фізичні показники: W=12%, ρ=1,84 г/см³, ρ_s=2, 8 г/см³

• Шар 3. Глинистий грунт. Товщина шару h₃=4,0м. Основні фізичні показники: W=22%, W_L=54%, W_p=30%, ρ=1,92 г/см³, ρ_s=2,88 г/см³

Глибина розташування рівня грунтових вод h_ргв= 7,0 м. від поверхні шару1.

Фундамент. Ширина b=2, довжина L=5, тиск під підошвою фундаментуP=200кПа, глибина закладання фундаменту d=1,8м.

Рис. 1. Загальна схема до розрахунку осідання основи.