книги из ГПНТБ / Трофименков Ю.Г. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов

Объемный вес грунта у0 определяется весом минеральных ча­ стиц и содержащейся в порах воды.

Объемный вес одного и того же грунта в зависимости от по­ ристости и содержания воды может изменяться ів достаточно ши­ роких пределах.

Для влажных глинистых грунтов 'характерны значения объ­ емных весов в пределах 1,95—2,1 т/м3; для сухих несвязных сы­ пучих грунтов—'1,58—1,65 т/м3.

При расчетах 'бытового давления устойчивости откосов и дав­ ления грунта на подпорные стенки, а также при определении нормативного давления на основание сооружений используют значения объемного веса грунта природной влажности.

Однако для сравнительной оценки плотности сложения грун­ тов более показателен так называемый объемный вес скелета грунта уск, вычисляемый по значениям объемного веса и весовой влажности W (выраженной в долях единицы)

Объемный вес скелета грунта, так же как и объемный .вес, из­ меряется в т/м3 или г/см3. Для грунтов одного состава, возраста и генезиса объемный вес скелета грунта служит показателем плотности сложения и, следовательно, косвенным показателем плотности и деформационных характеристик.

10

Данные о гранулометрическом составе используются главным образом для определения классификационной принадлежности несвязных (крупнообломочных и песчаных) .грунтов, а также степени их неоднородности:

При ДГ60/ю > 3 пески считаются неоднородными.

Весовая влажность выражается в процентах или долях еди­ ницы и в значительной степени определяет состояние грунтов. Многие горные породы (главным образом осадочные) теряют прочность при насыщении их водой. Нормативное давление на основания из мелкозернистых и пылеватых песков рассчитыва­ ют е учетом их влажности. Еще в большей степени влажность влияет на свойства глинистых грунтов и, в частности, лросадочных.

Влажность грунтов характеризуется также степенью влажно­ сти G, определяющей степень заполнения пор водой.

К водонасыщенным относятся грунты, характеризуемые сте­ пенью влажности от 0,8 до 1:

пе0

где ео — коэффициент пористости грунта в естественном состоя­ нии.

Количественную характеристику объема, занимаемого в грун­ те порами, определяют два показателя: пористость п и коэффи­ циент пористости Б.

Пористость (отношение объема, занятого порами, ко всему объему грунта) выражается в процентах: коэффициент пористо­ сти (отношение объема, занятого порами, к объему, занятому скелетом грунта) — в долях единицы. Эти два показателя взаи­ мосвязаны следующими выражениями, где пористость (в данном случае) обозначается в долях единицы:

п

(3)

1 + е

При расчетах, связанных с оценкой сжимаемости грунта, т. е. с его объемными изменениями, пользуются коэффициентом no­

li

ристоспи. От размера и формы пор .грунта и от .численного зна­ чения пористости зависят сжимаемость, водопроницаемость, вла­ гоемкость и некоторые другие свойства грунтов.

Количественные 'показатели пористости используются при определении сжимаемости грунтов, нормативных давлений на ос­ нования, степени просадочности грунтов, степени уплотняемости и др.

Значения пористости и коэффициента пористости некоторых грунтов приведены в табл. 2.

Для качественной оценки ллотности сложения песчаных грун­ тов служит так называемая относительная плотность, определя­ емая по формуле

12

где бмако и Емин — коэффициент пористости теска соответственно в самом рыхлом и самом плотном состояниях.

Песчаные грунты относятся к рыхлым при 0,33 > £>>0, к грунтам средней плотности три 0,67 >£>>0,33 и .к плотным при

>£>>0,67.

Пластические свойства глинистых грунтов зависят от их

влажности, гранулометрического и минералогического составов, качества и количества растворенных в воде солей и могут про­ являться при определенной влажности у каждого вида глинисто­ го (связного) грунта.

Показателями пластичности являются пределы (границы) текучести WT и пластичности (раскатывания) Wp и число пла­ стичности Wп. При .влажности меньше предела текучести и выше предела .раскатывания проявляются пластические свойства грун­ тов. При влажности вне этих пределов пластические свойства грунтов не проявляются.

Границы текучести и пластичности и число пластичности ис­ пользуются для определения классификационной принадлежно­ сти глинистых грунтов, консистенции В и степени уплотняемостч.

'Высокие значения числа пластичности, а также границ теку­ чести и раскатывания свойственны коренным высокодисперсным грунтам или грунтам, в минералогический состав которых вхо­ дят гидрофильные минералы типа монтмориллонита или бейделлита.

Это в свою очередь позволяет предположить наличие в грун­ те, с одной стороны, структурных связей, а с другой— способ­ ности к набуханию.

13

В табл. 4 приведены характеристики пластичности глинистых грунтов различного генезиса и возраста.

Консистенция определяется по формуле

ванов и откосах выемок, а также при определении несущей спо­ собности свай и нормативного давления на основание из глини­ стых грунтов.

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Сжимаемость. Все песчаные и глинистые грунты в той или иной степени деформируются (уплотняются) под действием при­ ложенной к ним статической нагрузки. Уплотнение под нагруз­ кой водонасыщенных песчаных прунтов происходит сравнитель­ но быстро, так как пески, обладая обычно достаточно высокой водопроницаемостью, легко отдают свободную воду. Кроме того, сжимаемость песков (за исключением рыхлых) обычно невелика.

Уплотнение под нагрузкой глинистых грунтов (особенно очень влажных или водонасыщенных) вследствие весьма низкой их водопроницаемости и наличия связанной воды происходит зна­ чительно медленнее, чем песчаных. Осадки сооружений, возве­ денных на глинистых грунтах, длятся месяцами и годами и вслед­ ствие высокой начальной пористости грунтов могут достигать при больших размерах фундаментов и большой мощности сжи­ маемого глинистого слоя десятков сантиметров.

Деформация уплотнения грунтов под действием нагрузки имеет в значительной степени необратимый характер. Количест­ венной характеристикой сжимаемости грунтов является модуль деформации Е в кгс/см2.

Модуль деформации грунтов отличается от модуля упругости твердых тел и материалов тем, что он отражает не только упру­ гие, но и необратимые пластические деформации. Из этого сле­ дует, что модуль деформации относится только к действию воз­ растающих нагрузок. В общем виде модуль деформации грунтов является непостоянной величиной, так как зависимость дефор­ мации грунтов от давления имеет нелинейный характер, и закон

Гука применим лишь ів пределах небольших интервалов измене­ ния давления.

На величину модуля деформации глинистых грунтов в боль­ шой степени влияет их влажность: при увеличении влажности величина модуля деформации снижается. Модуль деформации грунтов определяют лабораторными методами—в компрессион­ ных приборах или приборах трехосного сжатия и полевыми — с помощью испытания штампами.

14

Как правило, величины модуля деформации, получаемые в лабораториях, занижены. Наиболее достоверным методом опре­ деления модуля деформации грунта являются полевые испыта­ ния статическими нагрузками с помощью штампов.

На основании теории линейно-деформируемых тел и экспери­ ментальных данных Шлейхером выведена зависимость осадки прямоугольного штампа от приложенного давления

0,95; круглой формы—0,96; прямоугольника—в зависимости от соотношения сторон.

■При использовании стандартных круглых штампов модуль де­ формации определяется по формуле

где со — безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0,8; d — диаметр штампа;

Ар — приращение давления на прямолинейном участке зави­ симости осадки от нагрузки;

Д5 — приращение осадки, соответствующее приращению дав­ ления.

Значения коэффициента Пуассона приведены ниже:

В зависимости от вида грунтов, их состава и состояния зна­ чения модуля деформации могут изменяться в широких преде­ лах. Для характеристики сжимаемости грунтов в табл. 5 даются ориентировочные наиболее часто встречающиеся пределы изме­ нений модуля деформации.

Значения модуля деформации, приведенные в табл. 5 для песчаных грунтов, относятся к несцементированным в основном четвертичным пескам. Значения модуля деформации -глинистых грунтов, как было сказано выше, в значительной степени зависят от их влажности и консистенции. Поэтому приведенные з табл, б пределы изменения значений модуля деформаций даны

15

ТАБЛИЦА 5

Пределы изменений £ , кгг/слс2

Грунты

Четвертичные глинистые прунты текучей и текучепластичной консистенции имеют настолько низкие модули деформации, что практически в качестве естественных оснований не могут исполь­ зоваться. Четвертичные глинистые грунты твердой консистенции встречаются редко. Что касается коренных глин и суглинков, то в условиях природного залегания в большинстве случаев вслед­

ствие высоких значений границ пластичности они не могут нахо­ диться в текучем состоянии даже при степени влажности, равной 1.

Сопротивление сдвигу. Под сопротивлением сдвигу подразу­ мевается способность грунта противодействовать смещению од­ ной части грунтового массива по отношению к другой его части под действием касательных напряжений, возникающих от внеш­ них нагрузок.

Сопротивление сдвигу песков, т. е. несвязных грунтов, обус­ ловлено внутренним трением, которое в известных пределах пря­

где т — сопротивление сдвигу; а — нормальное напряжение;

Ф — угол внутреннего трения; / — коэффициент внутреннего трения.

Следует иметь в виду, что даже при отсутствии нормального напряжения песок оказывает некоторое сопротивление сдвигу. Это сопротивление обусловливается поверхностным натяжением пленок воды, окружающей частицы песка (влажные пески), и так называемым сцеплением упрочнения.

Как показывают данные многочисленных опытов, коэффици­ ент внутреннего трения песков возрастает с увеличением плотно-

16

ристости и влажное™, соответствующих действующему на него нормальному усилию (полностью 'консолидированный образец); б) неконсолидированно-недренированное испытание — быст­ рый сдвиг образца без предварительного уплотнения (или с ча­ стичным уплотнением) при постоянной влажности (без консоли­

дации или с -частичной консолидацией образца).

Различают также другие разновидности испытаний: неконсо­ лидированно-дренированное испытание (медленный сдвиг без предварительного уплотнения) и консолидированно-недрениро- ванное испытание (быстрый сдвиг с полной консолидацией при предварительном уплотнении).

Г л а в а II

ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВ ШТАМПАМИ В ШУРФАХ И СКВАЖИНАХ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Изменение напряженного состояния грунта, вызываемое ве­ сом сооружения, приводит к деформациям грунта основания, обусловленным процессами уплотнения и сдвигов. Общий харак­ тер этих процессов отображается на рис. 1 в виде графика, имеющего три участка, каждый из которых характеризует раз­ личные стадии поведения грунта под нагрузкой.

Участок / характеризует уплотнение грунта, происходящее в результате более компактного размещения слагающих его час­ тиц при сближении их между собой, что выражается в уменьше­ нии пористости. На графике S — f(p) этот процесс выражен в ви­ де прямой или близкой ,к прямой линии (прямолинейная зависи­ мость осадки от нагрузки).

Далее под понятием «прямолинейный участок графика зави­ симое™ осадки от нагрузки» имеется в виду участок, через четы­ ре опытные точки которого, определенные испытаниями штампа­ ми, методом наименьших квадратов (или графическим методом) можно, по условиям ГОСТ 12374—166, проводить оередняющую прямую.

Участок 2 характеризует дальнейшее уплотнение грунта, на­ чало и развитие сдвигов в грунте. Незначительные в начальной стадии сдвиги по мере роста нагрузок приобретают в развитии деформаций доминирующее значение. Участок 2 имеет криволи­ нейное очертание, а его крутизна характеризует более интенсив-

18

Рис. 1. График зависимости осадки штам'па (фундамента) от передавае­

мой на «его нагрузки

ное по сравнению с ростом на­ грузок приращение деформа­ ций — осадки.

Участок 3 характеризует разрушение грунта в основа­ нии штампа-фундамента. Этот процесс сопровождается рез­ ким возрастанием деформации

грунта при незначительном возрастании нагрузок, а на конечном этапе — даже при их постоянном значении. Процесс оканчива­ ется выпором грунта из-под подошвы штампа-фундамента.

Процессы, отображаемые участками 1 и 2 на рис. 1, характеризуются как упругими, так и остаточными деформация­ ми, наблюдающимися в грунтах основания сооружений. При этом следует особо отметить значительную для грунтов роль ос­ таточных деформаций, которые могут намного превышать упру­ гие деформации.

Для выражения сжимаемости грунтов по аналогии с модулем упругости ('применяемым для упрупих физических тел), как ука­ зано ранее, принята величина, называемая модулем общей де­ формации или модулем деформации.

В понятие модуля общей деформации необходимо вносить ограничения, так как, во-первых, выше отмечено наличие как упругих, так и остаточных деформаций, обусловливающих сжи­ маемость грунтов, и, во-вторых, в характере процессов, обуслов­ ливающих осадку штампа-фундамента, отмечено различие' для различных стадий нагружения.

Наличие упругих и остаточных деформаций при изменении напряженного состояния грунтов вынуждает относить значения модуля деформации к одноразовому действию нагрузок: при по­ вторном действии тех же нагрузок ранее уплотненный (в резуль­ тате остаточных деформаций) грунт будет характеризоваться уже другими (по сравнению с первоначальным состоянием) зна­ чениями модуля деформации.

При повторном действии равных по величине уплотняющих нагрузок величина остаточных деформаций уменьшается, а при многократном их новторении (циклами нагрузка— разгрузка) деформации могут быть сведены к нулю. Деформации в этом случае происходят в результате приобретенных грунтом упругих свойств, а их величина характеризуется модулем упругости.

Как следует из выражения (7), модуль деформации характе­ ризуется котангенсом угла наклона прямолинейного участка ли­

19