мг (1)

1.Основные понятия и определения курса «МГ»

Основание- толща грунтов, на которые возводится сооружение; оно воспринимает нагрузки и деформируется, при чрезмерных деформациях основания возникают деформации сооружения, которые делают невозможной его норм. эксплуатацию.

Под грунтом понимают рыхлые горные породы, состоящие из отдельных частиц, прочность которых намного больше связей между частицами.

Основания различают:

-естественные - сложены природными грунтами

-искусственные - уплотненные или закрепленные различными способами природные грунты

Фундаментом называют подземную часть здания или сооруж., передающее нагрузку от надземной части на грунт, кот. в этом случае становится основанием.

Нижняя поверхность фундамента называется подошвой. Расстояние от поверхности планировки до подошвы- глубина заложения фундамента.

1-грунтовое основание

2-фундамент мелкого заложения

3-свайный фундамент, со-ий из ростверка 3 и свай 5

4-обрез фундамента

4”-обрез ростверка

6- подошва фундамента

7- подошва ростверка

8-уровень подземных вод

d1- глубина заложения фундамента

dp- глубина заложения ростверка

DL- планировочная отметка земли

2. Цели и задачи курса. Связь с другими дисциплинами

Цель курса: научиться обосновывать и принимать правильные оптимальные решения по выбору и проектированию оснований и фундаментов в различных инженерно-геологических условиях.

Главная задача курса: освоение методик расчета грунтовых оснований.

Дисциплины механико-математического цикла

Теория упругости

Мат анализ

Сопромат

Строительная механика

Специальные дисциплины

Строит.конструкции

Технология строит.роизводства

Техника безопасности

Экономика и организация производства

3. Краткая история развития механики грунтов.

Вопросы фундаментостроения человек решал ещё в доисторич.времена: найдены постройки на свайном фундаменте в период неолита.

В древн.мире и средневек.строители интуитивно понимали, что фундаменты нужно заглублять в грунт и делать их шире стен.

В VIII-IX вв фундаментостроение переходит на научную основу. Ш.Кулон, А.Сен-Венан, Ж. Буссинеск, в России-В.М.Карлович, А.И.Крассовский.

В XXв мех.грунтов оформилась как самостоят.науч.дисциплина.Особую роль в этом сыграл К.Терцаги.

Так же вклад в эту науку внесли Н.М.Герсеванов,П.А.Минаев,Н.П.Пузыревский.

4.Грунтовые основания. Происхождение грунтов.

Грунтами строители называют верхние слои коры выветривания литосферы. Это всякая г. п., которая используется при строительстве в качестве основания сооруж. или материалов для с. Горная порода – это совокупность материалов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

Состав – это перечень минералов, составляющих породу

Структура – это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц.

Текстура – это пространственное расположение элементов грунта, определяющее его строение.

Все закономерности состава и строения грунтов тесно связаны с условием их происхождения.

1. Магматические (изверженные) – образовались при медленном остывании магмы в верхних слоях литосферы (интрузивные – гранит, диорит, габро), а также при быстром остывании магмы, излившейся на поверхность земли (эффузивные – базальты, порфиры и др.)

2. Осадочные – образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных магматических и метаморфических г. п. В зависимости от степени уплотнения различают: сцементированные (песчаники, доломиты и алевролиты) и несцементированные г. п. (крупнообломочные, песчаные, глинистые и грунты: лессы, торфы, почвы, илы)

3. Метаморфические – образуются в недрах земли из осадочных, магматических и метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур (кварциты, сланцы, мраморы, гнейсы)

Г. п. магматические, метаморфические и сцементированные осадочные относятся к классу скальных грунтов, несцементированные осадочные г. п. относятся к классу нескальных грунтов.

5. Составные части грунтов

Г. представляют собой 3-хфазную систему, состоящую из минеральных частиц (зерен), воды и воздуха, заполняющих пространство между частицами.

Таким образом составные части грунтов находятся в 3 агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обуславливает многие свойства грунта.

Основное сопротивление внешним напряжениям оказывают минеральные зерна или минеральный скелет. Поэтому важно оценить свойства минерального скелета и размеры этих частиц. Минеральные частицы состоят из породообразующих минералов, делящихся на крупные и мелкие. Крупные - это первичные минералы, мелкие - это минеральные частицы, продукты выветривания. Крупные могут быть:

1. растворимыми в воде (галит NaCl, гипс CaSo₄*2H₂O, кальцит CaCo₃, мрамор, известняк) сложены растворимыми минералами, но растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно. Поэтому эти группы надежные основания.

нерастворимыми в воде (инертными) кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, роговая обманка и др. Они не меняют своих свойств при изменении содержания воды. Из них состоят все магматические, большая часть осадочных г. п. (пески, крупнообломочные группы, песчаники и конгломераты). Мелкие глинистые частицы нерастворимы в воде, но их нельзя прировнять к инертным минералам. 2 группы из-за очень мелких размеров глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью (каолинит, монтмориллонит, геллит) размеры частиц глин 1-2 микрон, а площадь поверхности у каолинита 1 гр. вещества – 10 м², монтмориллонит 800 м². Из-за таких мелких размеров и большой удельной поверхности глинистые минералы активно взаимодействуют с водой – даже малое содержание воды резко изменяет его свойства.

6. Гранулометрический состав грунтов

- показатель неоднородности

- однородный

- неоднородный

- диаметр < которого в грунте содержится 60% частиц по массе.

- диаметр < которого в грунте содержится 10% частиц по массе.

Гранулометрический (зерновой) состав грунта определяется по массовому содержанию в нем частиц различной крупности в процентах по отношению от массы сухой пробы грунта, взятой для анализа. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 12536-79.

Зерновой состав – один из квалификационных показателей грунта. Для фракций больших 0,1 мм он определяется просеиванием пробы через комплект сит, для более мелких (диаметром менее 0,1 мм) применяют методы, основанные на определении размеров частиц по скорости их выпадения из суспензии (метод седиментации). Чем мельче частицы, тем медленнее они оседают в спокойной жидкости. Скорость выпадения частиц оценивают по уменьшению плотности раствора, обычно с помощью приборов ареометров.

Зная процентное содержание каждое фракции, строят кривые неоднородности. Чем более крутые получаются кривые, тем более однородным является грунт. Для характеристики неоднородности используют коэффициент – степень неоднородности

C_U = d₆₀/d_10,

d₆₀ – контролирующий диаметр, меньше которого в данном грунте содержится 60 % частиц по массе; d₁₀ – эффективный диаметр, меньше которого содержится 10 % частиц.

При C_U≤3 грунт считается однородным.

7. Виды воды в грунтах.

С увеличением диаметра грунта частиц сильно возрастает их удельная поверхность, также частицы становятся химически активными, учит свойства мельч частиц, рассм состояние воды в грунтах:

Поверхность грунтовой частицы заряжена отрицательно. Диполи H₂O создают оболочку из плотносвязанной воды.

Физические свойства такой пленки значительно отличаются от обычной 2 г/см³. Эту пленку окружает слой рыхлосвязанной воды, вместе эти оболочки называются молекулярная влагоемкость .

При дальнейшем увеличении количества H₂O в грунте, H₂O начинает заполнять пустоты между частицами. Пустоты имеют размеры, в т. ч. и размеры капилляров ( 1 мм) H₂O в капиллярах называется капиллярной и обладает капиллярными свойствами, т. е. не подчиняется законам гравитации. H₂O находится в пустотах > диаметра (> 1-2 мм) называется свободной и подчиняется гравитационным законам.

С т. зр. работы фундамента нам особенно важно поведение капиллярной H₂O. Явление капиллярного подъема необходимо учитывать при выборе глубины заложения фундамента. Количественно молекулярная влагоемкость м. б. представлена.

8. Воздух и органические вещества в грунте..

9. Понятие о структуре и текстуре грунта.

Под структурой грунта понимают строение минерального скелета, характеризуемая формой и размерами и их взаимным расположением. При формировании взаимной структуры каждая частица находится под действием гравитационных сил и сила их взаимодействия. Чем > размер частицы, тем > гравитационная сила и поэтому частицы большего диаметра формируют зернистые структуры со сравнительно плотной упаковкой, мелкие глинистые частицы образуют агрегатные структуры, которые в основном определяются силой сцепления между частицами.

Зернистая структура

Плотность упаковки зависит от величины и формы частиц.

Агрегатная структура

а) «карточный домик»

б) «книжный домик»

в) «стопочная структура»

Текстура грунта зависит от условий его формирования, его геологической истории, в ходе которой грунт претерпел различные преобразования (перекрытие отложениями, смыв, нагружение ледниками), т. е. уплотнение и разуплотнение.

10. Физические свойства грунтов и их характеристики.

Распределение фаз вещества грунта характеризуется относительной влажностью, плотностью ρ, плотностью его частиц. Эти характеристики определяются лабораторным анализом.

В объеме грунта V грунт уплотнения V₁; V₂ - объем воздуха и воды в порах грунта (воздухом пренебречь).

Существуют 3 основных показателя физических свойств грунтов, из которых можно получить и другие.

1. Удельный вес грунта [кн/м³].

Плотность [г/см³, кг/м³] .

2. Удельный вес частиц [кн/м³].

3. Природная влажность грунта .

4. Пористость ; .

5. Пористость оценивается коэффициентом пористости .

6. Удельный вес скелета [кн/м³].

7. Степень влажности ,

γ_w – удельный вес воды 10 кн/м³.

Для песчаных грунтов с точки зрения работы под фундаментом важными характеристиками являются:

• крупность частиц

• коэффициент пористости

Для глинистых грунтов эти 2 характеристики не совсем удовлетворительно отражают строительные свойства, т. к. в них очень существенно влияние воды.

11. Пределы Аттерберга.

При определении пластических свойств глинистых грунтов точных количественных характеристик методов нет. В большинстве стран, включая Россию, используют так называемые пределы Аттерберга.

W_P- влажность на границе раскатывания (предел раскатывания), W_L- влажность на границе текучести (предел текучести). Если A большой, то грунт пластичный (частицы грунта мелкие). Если частицы крупные, то предел A меньше. Для характеристики состояния влажного глинистого грунта приняты:

• W_P (P₀L) – влажность, при которой шнур из глинистого грунта диаметром 3 мм начинает крошиться. Грубо эта влажность соответствует максимальной молекулярной влагоемкости;

• W_L (LL) – влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Определяется погружением стандартного конуса (его вес 76 г, при вершине 30 %, погружение на глубину 10 мм)

• I_P – индекс пластичности (число пластичности),

I_P = W_L - W_P

• I_L – индекс текучести (показатель текучести),

Индекс пластичности в общих чертах характеризует строительные свойства глинистых грунтов. Например, твердые и полутвердые глины- надежные грунтовые основания, текуче-пластичные и текучие нельзя использовать в качестве оснований, а мягкопластичные требуют особого внимания при расчете фундаментов.

12. Классификация грунтов по СНиП 2.02.01-83

1. Скальные – сплошной или трещиноватый массив грунта.

2. Крупнообломочные – грунты, в которых крупные частицы d > 2мм составляют > 50 % по массе (гравий, щебень, дресва).

3. Песчаные d > 2 мм составляют ≤ 50 % по массе.

Различают:

• гравелистый песок > 2 мм > 25%

• крупный песок > 0,5 мм > 50 %

• песок средней крупности > 0,25 мм > 50 %

• мелкий песок > 0,1 мм 75 % и выше

• пылеватый песок > 0,1 мм < 75 %

4. Глинистые грунты. Основной показатель классификации - число пластичности.

Различают:

• супесь I_P < 0,07

• суглинок 0,07 ≤ I_P < 0,17

• глина I_P > 0,07

Также глинистые грунты классифицируются по индексу текучести

№ 14.Сжимаемость грунтов. Компрессионные испытания

С.Г. изучается в компрессионном приборе.

Компрессионный прибор состоит из подошвы, на которую устанавливается гильза. В гильзу укладывается образец грунта цилиндрической формы. Сверху кладется поршень с отверстиями для вывода воды. На поршень ступенчато прикладывается нагрузка Р. На поршне устанавливаются справа и слева индикаторы часового типа.

Твердые частицы и вода практически несжимаемы, поэтому при действии сжимающей нагрузки будет деформироваться только скелет грунта, т.е. будет уменьшаться пористость. Можно выразить уменьшение коэффициента пористости через осадки штампа: е_i=е₀- s/h (1+е₀).

15.. Компрессионные испытания. Осноной закон уплртнения.

Компрессионный прибор состоит из подошвы, на которую устанавливается гильза. В гильзу укладывается образец грунта цилиндрической формы. Сверху кладется поршень с отверстиями для вывода воды. На поршень ступенчато прикладывается нагрузка Р. На поршне устанавливаются справа и слева индикаторы часового типа.

Твердые частицы и вода практически несжимаемы, поэтому при действии сжимающей нагрузки будет деформироваться только скелет грунта, т.е. будет уменьшаться пористость.

Изменение пористости в зависимости от нагрузки будет иллюстрироваться кривой компрессии. На практике для расчетов трудно пользоваться этой кривой, поэтому была получена зависимость между коэф. пористости и нагрузкой:

Δе = m₀ΔР – закон уплотнения: при небольших изменениях нагрузки уменьшение пористости пропорционально увеличению нагрузки. M₀ – коэффициент компрессии. Для расчетов удобно пользоваться величиной относительного коэффициента компрессии m_v = m_o/1+e_o.

Осадка грунта будет определяться по формуле S=h*m_v*P, где h-высота образца.

Ε=S/h= σ/E = P/ Eo=m_v*P, отсюда следует что m_v=1/E_o, Eo=1/m_v, где Ео- модуль деформации компрессионный.

16. 17.Сжимаемость массива грунта. Испытание грунта штампом.

Сжимаемость массива грунта оценивается испытанием штампом. Оно заключается в том, что в котлован устанавливается штамп, на штамп последовательно укладываются плиты пригруза для увеличения нагрузки. На штампе установлены прогибомеры или индикаторы часового типа.

Результаты испытания грунта штампом оформляется в виде графика «осадка-нагрузка»:

Р1 Р2 P ,кг с/см2

S,мм

Как видно из рисунка до определенной нагрузки Р1 осадка имеет почти линейный характер, т.е. при этом возникают упругие деформации. При Р1<P<P2 пластические деформации, при Р>Р2 чрезмерные деформации. На первом участке полупространство можно считать линейнодеформируемым и ,используя аппарат теории упругости, определить модуль общей линейной деформации Ео=ω(1-μо^2)Р * Д/S (формула Шлейхера), где ω- коэффициент, учитывающий форму штампа(для квадрата- 0,83, для круга - 0,78; μо- коэффициент Пуассона; Р-давление, близкое к концу линейного участка, S- осадка штампа, см; Д-приеденный диаметр штампа в см.

18.Полевые методы определения модуля деформации грунтов.

1.Е грунта оценивается испытанием штампом. Оно заключается в том, что в котлован устанавливается штамп, на штамп последовательно укладываются плиты пригруза для увеличения нагрузки. На штампе установлены индикаторы часового типа.

Результаты испытания грунта штампом оформляется в виде графика «осадка-нагрузка»:

Р1 Р2 P ,кг с/см2

S,мм

2.Прессиометрическое испытание производят в пробуреных скважинах на заданных глубинах. Грунт нагружают горизонтальной радиальной нагрузкой и замеряют радиальные смещения стенок скважин. Всё это производят прибором- прессиометром.

3. Статическое зондирование- это вдавливание зонда в грунт( стержня с коническим наконечником диаметром 36мм) и измеряют сопротивление грунта под нижним концом и на боковой пов-ти этого зонда.

19, Влияние условий сжатия на поведение грунта под нагрузкой.

Рассмотрим 3 способа определения характеристик сжатия. В зависимости от условий сжатия приведены 3 схемы:

1. Свободное расширение

2. При невозможности бокового расширения

3. При ограничении бокового расширения

Случай 1

Сопротивление грунта сжатию будет небольшим и образец быстро разрушится.

Случай 2

Сначала деформация сжатию быстро возрастает, а затем замедляется. Образец разрушить почти нельзя.

Случай 3

Окружающая деформационную зону масса грунта препятствует его расширению. Сопротивление грунта сжатию больше, чем в случае 1, но меньше, чем в случае 2.

E₀=β* E₀^k

β можно выразить через коэффициент бокового расширения.

β=

20. 21.Сопротивление грунтов сдвигу: основные понятия; угол внутр трения и уд сцепление.

G- сила тяжести

N - нормальная к плоскости

T – сдвигающая сила

S – удерживающая.

Если рассматривать равновесие отд части песч грунта на открытом откосе, то :, где f-коэф трения = tg угла естественного откоса

- угол внутр трения

Под действ внеш нагрузки в отд-ых точках грунта напр-я могут превысить внутр связи м/у частицами гр, при этом возникнут скольжения (сдвиг) одних частиц по другим и может наруш сплошность грунта в некотор области, т е прочность грунта будет превышена.

Прочность- св-во матер-ла сопротивляться разрушению или развитию больших пластич деформаций, приводящ к недопустимым искажениям формы тела.

В идеально сыпучих гр (чистые пески) внутр сопротивлением, препятствующим сдвигу будет трение, возникающее в точках контакта частиц. В идеально связ гр (дисперсные глины) – внутренние структурные связи и вязкость водноколлоидных оболочек. Природн глины обладают вязкими вод-коол-ми и жесткими кристаллиз-ми связями.

Силы сцепления- сопр-ие структурн связей всякому перемещению связ частиц независимо от вел-ны внеш давления. Если эффективн напр-я нагрузки превзойдут жесткость структурн связей, то сопротивляться будут водн-колл-ые связи.

С – уд сцепление грунта.- характеризует связность гр, зависит от наличия жестких и водн-колл-ых связей, структуры грунта.

Глина: до 25⁰ ; С до 1 кгс/см²

Песок: до 30⁰ ; С до 0,1 кгс/см²

22. Предельное сопротивление гр сдвигу при прямом плоскостном срезе.

1-подвижная обойма

2-неподвижная обойма

3-образец гр в мет кольце

4-линия среза или сдвига

5-уплотняющая вертикальн центрально прилож нагр (возрастающими ступенями)

6-сдвигающ нагр, приклад возраст ступенями

7-грузы

8-прогибомеры, измер осадку вертик деф-ций

9- прогибомеры, измер осадку гориз деф-ций

10-перфорированные пластины.

Образец гр помещ в мет кольцо, на него с помощью штампа ступенями передается сжимающее усилие Р, под действием котор гр уплотняется. Осадка образца под действием возраст сжим напряжения G=Р/A измеряется индикаторами. Затем при G=const к верхней обойме также ступенями прикладывается горизонтальное усилие Р.Под действием возникающих кас напр развиваются гориз перемещения в верхней части образца ,измеряемые индикатором. По мере увеличения гориз перемещ-я возраст-ют и при некотором предельном значении = _пр дальнейшее перемещение образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца

_пр – предельное сопротивление сдвигу.

_пр = G tg - Закон Кулона для песчаного гр.

_пр = G tg+C - Закон Кулона для глинистого гр

Закон Кулона – сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления.

У глинист гр сопр-е сдвигу обусловлено силами трения м/у частицами и связностью грунта

ВОПРОСЫ

1. Основ.понятия и опред.курса

2. Цель и задачи курса. Связь курса с др.дисциплинами

3. Краткая история развития фундаментостр

4. Гр.основания. Происхожд.гр

5. Составные части(компоненты) гр

6. Гранулометрич.состав гр. Методы его опред.и изображ

7. Виды воды в гр.массиве

8. Воздух и органич.в-ва в гр

9. Понятие о структуре и текстуре гр

10. физич.св-ва гр.и их харак-ки

11. Пределы Аттерберга

12. Классификация гр.по ГОСТ

13. Деформац.св-ва гр.и их изучение в компрессионном приборе

14. Сжимаемость гр. Компрессионные испытания.

15. Компрессионные испытания. Основ. з-н уплотнения

16. Сжимаемость массива гр

17. Испытания гр.штампом

18. Полевые методы опреде.модуля деформ.гр.

19. Влияние условий сжатия на поведение гр.под нагрузкой

20. Сопр.гр.сдвигу. Основ.понятия

21. Основ.понятия т.прочности гр

22. Пред.сопротив.гр.сдвигу при прямом плоскостном срезе

23. Закон Кулона для несвязных и связных гр

24. Испытания гр.по схеме трехосного сжатия

25. Условия прочности несвязных и связных гр

26. Полевые методы испытания на сдвиг (срез)

27. Водопроницаемость гр. З.движ.воды в гр

28. Эффектив.и нейтральные давления (напряжения) в гр

29. Природа (физич.причины) длительного протекания деформ.в гр

30. Особые свойства грунта

31. Исп.харак-к физич.св-в гр.для приближ.оценки их механич.св-в

32. Выбор расчетных значений гр

33. Напряж.в гр.от собств.веса

34. Напряж.в гр.от сосредоточ.силы

35. Напряж.в гр.от распред.нагрузки

24. Испытание грунта по схеме трехосного сжатия в стабилометре.

Сдвиговые характеристики грунта можно определить в стабилометре.

Порядок: Цилиндрический образец грунта 1 помещается в рабочую камеру прибора 2, заполненный водой. Нормальное напряжение создается в образце через штамп 5 с помощью нагрузочного устройства. Боковое напряжение создается в водяной рабочей камере гидростатическим давлением. Изменение давления в камере производится манометром 4, а вертикальных перемещений индикаторами 3,

25. Условия прочности несвязных и связных грунтов

Прочностные характеристики в стабилометре определяются использованием нескольких образцов близнецов в каждом испытании при возрастающем вертикальном давлении и фиксированном боковом произойдет разрушение образца . Величины напряжений, соответствующие этим давлениям и откладываются на горизонтальной оси графика и строится круг Мора.

Теория прочности Кулона-Мора: Среднее главное напряжение не влияет на сопротивление грунта срезу или сдвигу.

Для песчаного грунта основное уравнение предельного равновесия :

Касательная из начала координат – линия предельного равновесия . Угол внутреннего трения определяется по графику.

Для глинистого грунта:

26. Полевые методы испытания на сдвиг и определение прочностных характеристик грунта.

1, Основным методом является метод «крыльчатки». Применяется для пластичных слабых глинистых и илистых грунтов, а также водонасыщенных супесей, пробы которые взять трудно, не нарушив их структуры.

В забой скважины в грунт вдавливается полостная крыльчатка ( крестовина), после чего вращение рукоятки производится полный поворот на 360⁰ и грунт срезается по цилиндрической поверхности, высотой h и d. При этом замеряется max скручивающий момент. По этому моменту и площади среза определяется предельное сопротивление срезу.

2. Сдвиг «целика»