Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты

В сыпучих песчаных грунтах для определения степени заполнения пор водой требуется помимо влажности учитывать его полную влагоемкость.

Полная влагоемкость а>п соответствует влажности грунта, при которой все поры заполнены водой:

где Yui — удельный вес воды.

Степень влажности Sr характеризует степень заполнения пор водой и выражается отношением влажности грунта к его полной влагоемкости:

тественной его уплотненности к максимально возможной при соответствующем гранулометрическом составе исходя из наиболее компактной упаковки зерен:

Песчаные грунты классифицируют также по значениям коэффициента пористости (табл. 9.3), что фактически отражает их степень сложения.

220

вании изменять форму без образования трещин при сохранении сплошности и объема. Различают связные грунты твердой, пластичной и текучей консистенции. В твердом состоянии такие грунты после превышения нагрузкой некоторого предела деформируются с образованием трещин. В текучем состоянии они теряют прочность, почти не сопротивляются сдвигу и ведут себя как жидкость.

Влажность глинистого грунта при переходе его из твердого состояния в пластичное и наоборот называется нижним пределом пластичности или границей пластичности (раскатывания) — ш^. Грунт при такой влажности еще способен раскатываться в шнур диаметром 3 мм, а при ее уменьшении будет рассыпаться. Эту влажность определяют по Г О С Т 5183-77.

Влажность, соответствующая переходу глинистого грунта из пластичного состояния в текучее и наоборот, называется верхним пределом пластичности или границей текучести — wПри w^ стандартный балан-

Иначе говоря, число пластичности означает интервал влажностей, в пределах которого глинистый грунт находится в пластичном состоянии.

221

Показатель текучести Ij — отношение разности между влажностями естественной и на границе раскатывания к числу пластичности:

Состояние связных грунтов по показателю текучести определяется согласно Г О С Т 25100-82 или С Т Б 943 - 93 (табл. 9.4).

Консистенцию глинистых грунтов устанавливают также по результатам зондирования или пенетрации.

Следует иметь в виду, что при наличии в глинистых грунтах пылеватых частиц больше, чем песчаных, их называют «пылеватыми». Это особенно важно знать, потому что пылеватость этих грунтов способствует повышенным водопоглощению, размягчаемое™ и размываемости, т.е. снижению прочностных свойств с увеличением деформативности, а также сильному пучению при промерзании в условиях свободного подсасывания воды.

222

Для практического использования весьма удобна упрощенная строительная классификация (табл. 9.5), позволяющая легко и достаточно просто определять вид глинистого грунта.

9.2.3. Прочность, сжимаемость и водопроницаемость

Под воздействием передаваемых от фундаментов усилий в массиве грунтов основания возникают нормальные сжимающие и касательные сдвигающие напряжения. З а счет сжатия и переупаковки частиц скелета находящаяся в порах вода вытесняется в силу наличия водопроницаемости у грунта.

От нормальных напряжений грунты сжимаются и уменьшают свой объем. В отличие от сплошных тел, рассматриваемых в курсе сопротивления материалов, в грунтах как дисперсных телах помимо упругого сжатия скелета после преодоления структурной прочности преобладают остаточные деформации в силу переупаковки частиц. Исходя из этого, для грунтов основополагающим является закон уплотнения или сжимаемости.

Этот закон используется для нахождения деформативных характеристик грунтов (модуля общей деформации Е, кПа и коэффициента Пуассона V), чтобы в последующем их использовать в расчетах по второй группе предельных состояний оснований фундаментов, т.е. при определении их осадок.

В грунтах при небольших сжимающих усилиях, т.е. в упругой стадии их работы, влияние возникающих сдвигающих деформаций от действия касательных напряжений рассматривается сравнительно редко. Закон сопротивляемости сдвигу (закон Кулона) грунтов исследуется в предельном напряженном состоянии. Он позволяет определять прочностные характеристики грунтов (угол внутреннего трения ф, град, и удельное сцепление с, кПа), чтобы в последующем их использовать в расчетах оснований фундаментов по первой группе предельных состояний, т.е. по несущей способности (прочности) или устойчивости.

Под действием внешней нагрузки при увеличении давления на грунт поровая вода из него благодаря водопроницаемости постепенно отжимается, а давление по мере этого передается на скелет, обеспечивая консолидацию деформаций его сжатия или сдвига. Исходя из этого возникает

223

необходимость изучения фильтрационных свойств грунта. Для этого используется закон фильтрации (закон Дарси). Он позволяет определить фильтрационные характеристики грунтов (коэффициенты фильтрации k и консолидации С ) , чтобы их затем использовать при определении притока воды в котлованы и подборе требуемой производительности насосов для откачки из них воды или закачки в грунт закрепляющих растворов, а также при расчете скорости протекания осадок фундаментов во времени и вычислении гидродинамического давления поровой воды на скелет грунта или находящиеся в грунте конструкции.

Закон уплотнения. В зависимости от условий деформирования грунта под фундаментами процесс его уплотнения может происходить по-разному:

происходит сжатие грунтовых частиц по направлениям трех главных осей с их вытеснением в окружающий менее сжатый массив. В любом случае переупаковка частиц сопровождается их смещением друг относительно друга за счет возникающих сдвигающих (касательных) составляющих от передаваемых на каждую из частиц общих напряжений. Условия компрессионного или трехосного сжатия моделируют при проведении лабораторных испытаний образцов грунта в соответствующих одноименных приборах.

Компрессионные испытания более просты и достаточно распространены в отечественной практике, но их результаты отражают процесс сжимаемости грунта лишь в ограниченном диапазоне давлений, превышение которых сопровождается спрессовыванием образцов грунта, что не адекватно реальному поведению его в деформируемой (активной) зоне под вдавливаемыми или над выдергиваемыми (анкерными) фундаментами. Для проведения таких испытаний применяют компрессионные приборы (одометры), имеющие вид стакана (рис. 9.4), в дне и поршне (штампе) которого помещены пористые диски для удаления вытесняемой из сжимаемого образца воды. Для уменьшения влияния трения о стенки стакана образец грунта должен иметь высоту в четыре-пять раз меньшую его диаметра. Однако при больших сжимающих давлениях даже этого ока-

224

зывается недостаточно и требуется смазка внутренних стенок стакана. При компрессионном сжатии образца в одометре осадка штампа измеряется индикаторами, а прикладываемая к нему нагрузка передается при помощи рычажной системы. На основании измерения деформаций сжатия образца после их стабилизации при соответствующих ступенях нормальных давлений определяют путем пересчетов изменение коэффициентов пористости с возрастанием этих давлений и строят компрессионные зависимости (рис. 9.5).

Рис. 9.4. Схема одометра: 1 — образец грунта, 2— пористые фильтры, 3 — поршень, 4 — компрессионное кольцо

Рис. 9.5. Компрессионная кривая сжатия грунта:

1 — опытная криволинейная зависимость, 2 — ветвь разгрузки,

3 — спрямленная расчетная зависимость

При общем криволинейном характере этих зависимостей в небольшом диапазоне уплотняющих давлений их для простоты расчетов заменяют прямыми линиями, которые легко выразить уравнением

225

исходит спрессовывающее сжатие образца с объемными деформациями затухающего характера.

В полевых условиях сжимаемость грунта с возможностью его бокового расширения под подошвой фундамента моделируется путем испытаний ступенчато возрастающими вдавливающими нагрузками штампов в шурфах или скважинах. При этом значение модуля деформации грунта определяют согласно зависимости

где Р — нагрузка на штамп, кН; S и d — его осадка и диаметр, м. Модули деформации Е грунтов зависят от их гранулометрического

состава, структурных и текстурных особенностей, физических характеристик: в песчаных — от коэффициента пористости и степени водонасыщения, в глинистых грунтах — от коэффициента пористости и особенно от показателя текучести. Значения Е возрастают с увеличением глубины от поверхности, т.е. обжатия природным давлением вышележащей толщи. Они также зависят от площади штампа, причем определяемые в компрессионных приборах оказываются заниженными по сравнению со штампавыми испытаниями в полевых условиях в 3...8 и даже более раз. При наличии анизотропии свойств грунтов имеет место значительное различие сжимаемости в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Прочность грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу определяет их прочность и устойчивость в основаниях сооружений и откосов, а также давления на ограждения котлованов. Оно по-разному проявляется в песчаных и глинистых грунтах, поскольку существенно зависит от характера контактов и структурных связей между слагающими грунт частицами.

Сопротивление грунтов сдвигу определяют с помощью разных приборов, наиболее простым из которых является одноплоскостной сдвиговой (рис. 9.7). В нем образец грунта размещается в двух кольцах. После его обжатия нормальным давлением между кольцами создается небольшой зазор для исключения трения их друг по другу. Затем производится сдвиг грунта путем смещения подвижного кольца относительно неподвижного. Обычно срезают несколько обжатых разными вертикальными давлениями образцов. Результаты испытаний наносят на график (рис. 9.8)

228

и получают зависимость сопротивления грунта сдвигу Т от вертикального сжимающего напряжения СТ. С помощью такого графика определяют параметры сопротивления грунта сдвигу: угол внутреннего трения ф — по наклону прямой к оси нормальных напряжений О, удельное сцепление с — по отсекаемому от вертикальной оси отрезку. Величина / = tg ф называется коэффициентом внутреннего трения грунта.

Рис. 91. Схема одноплоскостного сдвигового прибора:

1 — образец грунта, 2 — верхняя подвижная обойма, 3 — плоскость среза, 4 — нижняя неподвижная обойма, 5 — фильтрующие (пористые) диски

Закон сопротивления сдвигу установлен в 1773 г. французским ученым Ш. Кулоном и выражается зависимостью

Эта обобщенная зависимость характеризует сопротивление сдвигу связных грунтов и означает, что оно прямо пропорционально нормальному напряжению на срезаемой поверхности. Для сыпучих грунтов, не обладающих сцеплением, в этой формуле отсутствует сцепление с.

229