Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы геотехники. Учебное пособие
.pdf
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Кузбасский государственный технический университет
имени Т. Ф. Горбачева»
Н. В. Крупина
ОСНОВЫ ГЕОТЕХНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Кемерово 2021
2
УДК 624.131.1(075.8)
Рецензенты:
О. П. Афиногенов, директор ООО «Кузбасский центр дорожных иссле-
дований», кандидат технических наук, доцент
Д. А. Аюпов, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии
строительных материалов, изделий и конструкций Казанского государственного архитектурно-строительного университета
Крупина, Н. В. Основы геотехники : учебное пособие / Н. В. Крупина ;
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева. – Кемерово, 2021. – ISBN 978-5-00137-215-8. – 102 с. – Текст : непосредственный.
В учебном пособии рассмотрены вопросы классификации грунтов, их
физические, механические, деформационные и другие свойства, проанализированы определения данных свойств лабораторными методами, рассмотрены
вопросы природных и дополнительных напряжений в грунтах. Даны определения оснований и фундаментов, названы их виды. Рассмотрены фундаменты
мелкого заложения, свайные и другие фундаменты глубокого заложения,
фундаменты в особых грунтовых условиях. Освещены методы расчета всех
видов фундаментов, выбора наиболее рационального варианта фундамента.
Кроме этого, рассмотрены вопросы улучшения грунтов основания в сложных
инженерно-геологических условиях, вопросы восстановления и реконструкции самих фундаментов. Дана рабочая программа дисциплины, методические
рекомендации по изучению дисциплины «Основы геотехники» и выполнению
лабораторных работ. Формул 68, рисунков 51, таблиц 18. Учебное пособие
подготовлено для направления 08.03.01 «Строительство» и специальности
08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского
государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева.
УДК 624.131.1(075.8)
ISBN 978-5-00137-215-8
© Кузбасский государственный
технический университет
имени Т. Ф. Горбачева, 2021
© Крупина Н. В., 2021
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие подготовлено для направления 08.03.01
«Строительство» и специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» по дисциплине «Основы геотехники». Для изучения дисциплины необходимы знания по математике,
физике, теоретической механике, химии.
Дисциплина «Основы геотехники» является комплексной,
охватывающей широкий круг вопросов, связанных с оценкой грунтов в качестве оснований зданий и сооружений, дорог различного
назначения. Дисциплина состоит из двух частей. В первой части
«Основы механики грунтов» даны сведения о природе грунтов, влиянии различных факторов на несущую способность грунтов, а также
рассмотрены физические, механические, прочностные и деформационные свойства грунтов; напряжения в грунтах, вызванные дополнительной нагрузкой и внутренними силами. При расчете фундаментов одним из основных вопросов является оценка инженерногеологических условий площадки строительства, т. е. вопросов, рассматриваемых дисциплиной «Механика грунтов», которая формировалась на основе физико-математических, строительных и геологических наук.
Во второй части «Фундаменты и основания зданий» рассматривается широкий круг вопросов проектирования и расчета фундаментов; возведения на грунтах оснований фундаментов зданий, сооружений. Прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация
фундаментов зданий и сооружений определяется в том числе свойствами грунтов, составляющих основание.
Любое здание, сооружение строится на грунтовом основании и
располагается в толще грунта. Поэтому, прежде чем возводить фундаменты, необходимо рассмотреть вопросы, связанные с устойчивостью грунтов основания, определить, способны ли грунты основания выдержать нагрузку, которую мы хотим им предложить, рассчитать фундамент как конструкцию. Фундаменты служат для передачи нагрузок от вышележащих частей здания на грунтовое основание, они являются важнейшей частью зданий и сооружений, так
как они обеспечивают возможность нормальной эксплуатации всего
здания. Прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация фундаментов зданий и сооружений определяется в том числе свойствами грунтов, составляющих основание.
4
Прежде чем приступить к выполнению лабораторных работ,
необходимо внимательно прочитать следующие указания: номер
варианта выбирается по последней цифре зачетной книжки обучающегося.
1. Все расчеты заносятся в таблицы, находящиеся в самой ла-
бораторной работе.
2. В конце каждой лабораторной работы находится таблица
для выбора варианта.
3. После ознакомления с теоретическим материалом и поряд-
ком выполнения работ (№№ 1, 2, 3, 4) следует посмотреть ролики о
выполнении лабораторных работ (приложение Г).
5
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
ГЛАВА 1. СОСТАВ, СТРОЕНИЕ
И СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ
Грунтами называют горные породы различного состава,
свойств и происхождения, слагающие верхние слои земной коры,
преимущественно затронутые процессами выветривания, а в самой
верхней части – почвообразования.
Грунты – самые распространенные строительные материалы.
Непосредственно из них сооружают плотины и земляное полотно
автомобильных и железных дорог. Грунты, укрепленные вяжущими
материалами, используют в несущих слоях дорожных одежд. Грунтовое основание, воспринимающее нагрузку, является обязательным элементом каждого инженерного сооружения.
Грунтоведение – это наука о грунтах. Предметом исследова-
ния грунтоведения являются знания о грунтах, их составе, состоянии, строении и свойствах, закономерностях их формирования
и пространственно-временного изменения.
Механика грунтов – это научная дисциплина, изучающая
напряженно-деформированное состояние грунтов, условия их прочности, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов.
Земную кору слагают горные породы, состоящие из минералов. Минералами называют природные тела, примерно одинаковые
по химическому составу и физическим свойствам, образующиеся
в результате физико-химических процессов на поверхности или
в глубине Земли.
В настоящее время найдено и изучено около трех тысяч минералов, ежегодно открывается примерно 30 новых.
По источнику энергии минераллообразования выделяется три
группы процессов:
− эндогенные – обусловлены кристаллизацией в процессе
магматизма в глубинах Земли;
− экзогенные – связаны с процессами химического разруше-
ния минералов на поверхности Земли в зоне выветривания и с кристаллизацией в перенасыщенных растворах водоемов и осадочных
толщах;
− метаморфические – характеризуются перерождением ранее
образованных минералов (эндогенного и экзогенного происхожде-
6
ния) под влиянием высоких давлений и температур, а также газов
и воды. Под воздействием этих факторов происходит перекристаллизация минералов и изменение их первоначального состава (роговая обманка, тремолит, актинолит и др.).
Минералы встречаются:
− в твердом (кварц, полевой шпат, магнетит);
− в жидком (нефть, ртуть, вода);
− в газообразном (горючие газы, углекислый газ, сероводо-
род) состояниях.
Современная классификация минералов основана на химическом составе и кристаллической структуре вещества. Общая классификация неорганических минералов, по С. Д. Четвертухину,
насчитывает 10 классов. По химическому составу выделяют простые вещества (группы золота, железа, платины, серы, углерода
и др.), сульфиды (соли сероводородной кислоты), галоидные соединения (каменная и калийная соли и др.) и кислородные соединения.
К ним относятся окислы и гидроокислы (магнетит, гематит, корунд,
хромит), силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, амфиболы,
каолинит, слюды, тальк, кварц), сульфаты (гипс), вольфрамиты
(вольфрамит, шеелит), фосфаты (апатит), карбонаты (кальцит, доломит, сидерит, малахит).
Земная кора на 60 % состоит из полевых шпатов – наиболее
распространенных минералов из класса силикатов; на 17 % – из амфиболов и пироксенов; на 12 % – из кварца и на 3,8 % – из слюды.
Минералогический состав имеет большое значение при определении инженерно-геологических свойств горных пород. Например, породы, содержащие слюду, обладают большей сжимаемостью,
а присутствие пирита снижает прочностные свойства пород и т. д.
Горные породы – механическая смесь минералов более или
менее постоянного состава, образующая самостоятельные геологические тела. Из известных 3000 минералов в образовании горных
пород основную роль играют примерно 30 так называемых породообразующих минералов. Это самые распространенные, наиболее
устойчивые минералы класса силикатов, окислов и алюмосиликатов.
Геологические процессы, приводящие к образованию горных
пород, называются процессами породообразования. Основными являются магматизм, метаморфизм и осадконакопление. Соответственно по признаку происхождения все горные породы подразделяются на магматические (гранит, диорит, порфир, базальт), мета-
7
морфические (кристаллические сланцы, гнейсы, мрамор) и осадочные (песчаники, алевролиты, аргиллиты, известняки, глины, пески).
Горные породы бывают мономинеральными и полиминеральными. Большинство горных пород относится к полиминеральным.
Магматические породы образуются в результате остывания
и затвердения природных силикатных расплавов, или магм, возникающих в глубинных зонах земной коры. По условиям образования
магматические горные породы делятся на глубинные (интрузивные)
и излившиеся (эффузивные). По содержанию кремнезема SiO2 они
делятся на ультраосновные < 40 % (дунит, пироксенит, пегматит),
основные 40–52 % (габбро, базальт, диабаз), средние 52–65 % (сиенит, диорит, андезит), кислые > 65 % (гранит, порфиры, обсидиан).
Метаморфические породы образуются в результате глубоких
изменений и преобразований магматических и осадочных пород под
влиянием высокой температуры, давления и химически активных
веществ. Эти факторы метаморфизма вызывают изменения минерального состава и строения горных пород.
Осадочные горные породы образуются при осаждении и
накоплении в водной или воздушной среде продуктов физического
и химического разрушения (выветривания) материнских горных пород с уплотнением и цементацией осадка. По происхождению (генезису) они подразделены на три основные группы: обломочные,
органогенные и химические.
К обломочным породам относятся те, которые образовались из
продуктов физического и химического выветривания материнских
горных пород, оставшихся на месте своего накопления или отложившихся после переноса водой или воздухом. Обломочные породы
подразделяются на собственно обломочные (рыхлые зернистые
грунты, к которым относятся пески, гравий, галька, дресва, щебень,
и сцементированные – песчаники, брекчии и др.) и глинистые породы (несцементированные – глины, суглинки, супеси – и сцементированные – аргиллиты и алевриты). В группе осадочных пород
наибольшее распространение имеют глинистые грунты и породы
(≈ 50 %), в состав которых входят глинистые минералы – каолинит,
монтмориллонит, гидрослюды и др. К глинистым грунтам относятся глины (содержание частиц размером менее 0,005 мм больше 30 %
по весу), суглинки (глинистых частиц 10–30 %) и супеси (3–10 %).
В состав глинистых грунтов входят обломки кварца, полевых шпатов и т. д. Глинистые минералы в сочетании с другими минералами,
8
входящими в состав глинистых грунтов, образуют сложные системы, в том числе коллоидные.
Органогенные породы образуются в водоемах в результате
накопления и преобразования остатков животных (зоогенные) и
растений (фитогенные). К зоогенным относятся доломиты, мергели,
мел, диатомиты и др. К группе фитогенных относится торф – порода, образовавшаяся под водой без доступа воздуха из разложившихся растительных остатков.
Породы химического происхождения образуются в результате
выпадения из морских или озерных вод растворенных солей. Это
происходит в водах морских континентальных бассейнов и озерах в
условиях концентрации водных растворов и при понижении температуры. К числу таких пород относятся мирабилит, гипс, ангидрит и
калийная соль. Они залегают слоями большой мощности, достигающими десятков или даже сотен метров. Общим для них является
растворимость в воде, трещиноватость.
При изучении горных пород и почв в качестве объектов инженерно-строительной деятельности их рассматривают как грунты, которые могут быть использованы в основании сооружений как материал или среда при устройстве и эксплуатации различных инженерных сооружений, в том числе автомобильных дорог и аэродромов.
Грунты, залегающие в основании сооружений или используемые как стройматериал, по характеру структурных связей разделены на 2 класса:
− с жесткими структурными связями (скальные грунты);
− без жестких структурных связей (нескальные грунты).
В строительстве, в том числе и дорожном, используются нескальные грунты и чаще всего осадочные несцементированные, относящиеся к подгруппе обломочных (крупнообломочных, песчаных, пылеватых, глинистых).
Процессы физического, химического и биологического выветривания, приводящие к распаду скальных грунтов, обусловливают
постепенное накопление в их толще все более мелких частиц, до
коллоидно-раздробленных, в результате такие грунты приобретают
свойства дисперсных систем.
Промежутки между отдельными твердыми частицами грунта
(грунтовые поры) в большей или меньшей степени бывают заполнены
водой. Глинистые грунты содержат воду в виде пленок на поверхности минеральных частиц. При значительном увлажнении поры грун-
9
тов полностью заполняются водой и грунт представляет дисперсную
систему, где дисперсионной средой является вода, в объеме которой
распределены твердые минеральные частицы – дисперсная фаза.
Дисперсность (степень раздробленности) придает веществу
ряд новых свойств, которые выражены тем сильнее, чем больше
дисперсность, т. е. чем мельче частицы. Дисперсный грунт, в состав
которого входят твердые частицы, вода и воздух (реже смесь газов),
представляет собой многофазную систему (трех или двух), для которой большое значение имеет степень дисперсности.
Минеральный состав оказывает весьма значительное влияние
на многие физические свойства и степень устойчивости грунтов
в инженерных сооружениях. Он резко меняется в зависимости от
исходного состава горной породы, степени ее раздробленности,
условий формирования и залегания. Крупнообломочные грунты
складываются из обломков наиболее прочных и стойких пород,
обычно из групп минералов. С увеличением степени раздробленности частицы грунта превращаются в отдельные стойкие минералы,
например кварц (преобладание характерно для песчаных грунтов).
В глинистых грунтах минеральный состав существенно изменяется
в результате накопления глинистых минералов и других новообразований. В глинистой части грунтов часто преобладают вторичные
слоистые алюмосиликаты (в меньшей мере ферросиликаты), так
называемые глинистые минералы, представляющие собой продукт
химического изменения первичных минералов – полевых шпатов,
слюд и др. Им присуща высокая степень дисперсности и гидрофильности. В зависимости от содержания и состава глинистых минералов резко изменяются прочность, набухание, пластичность,
липкость, связность, обменная и водоудерживающая способность
и другие свойства грунтов. Глинистые минералы обладают весьма
важным свойством – поглотительной или обменной способностью;
в составе минералов присутствует химически связанная вода. Для
них характерно слоистое строение. Обычно глины состоят из тонких пластинок, чешуек или частиц другой формы. Размеры пластинок редко превышают 10 мкм, а обычно составляют 1 мкм и меньше.
По совокупности признаков глинистые минералы разделяют
на 3 основные группы: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды.
Каолинит – относительно стойкий минерал, содержащийся в
большом количестве в глинистых грунтах. Он обладает небольшой
набухаемостью при увлажнении и малой обменной способностью.
10
Монтмориллонит – трехслойный глинистый минерал. Кристаллическая решетка его при увлажнении может расширяться в результате раздвижки слоев. В отличие от каолинита монтмориллонит
характеризуется более высокой дисперсностью частиц, чрезвычайно
высокой пластичностью и способностью в 10–20 раз увеличивать
свой объем при увлажнении. Размеры монтмориллонита не превышают 1 мкм.
Гидрослюды (иллит и др.) – трехслойные глинистые минералы, элементарные пакеты у которых построены так же, как и у
монтмориллонита. Однако по своим свойствам они существенно
отличаются от монтмориллонита и каолинита. Вода в них обычно
отсутствует. По своим свойствам они занимают промежуточное положение между минералами группы монтмориллонита и каолинита.
В зависимости от состояния, в котором находятся органические вещества, они носят название торфа или гумуса. Торф – грубая
полуразложившаяся масса растительных остатков; гумусом называют сложный комплекс органических соединений почвы, образовавшийся в результате биохимических превращений, связанных
с жизнедеятельностью различных организмов.
1.1. Физико-механические свойства грунтов
Физические свойства грунтов можно подразделить на:
− общие физические (плотность, удельный вес сухого и влаж-
ного грунта, пористость);
− физико-механические (прочность, деформативность, пла-
стичность, липкость, усадка, набухание и связность);
− водные (водоудерживающая, водопропускная (водопрони-
цаемость), водоподъемная (капиллярная) способность грунта);
− тепловые (теплоемкость, теплопроводность, теплопоглоти-
тельная способность – способность поглощать лучистую энергию
солнца).
Прочностные и деформационные свойства грунта в значи-
тельной степени определяются зерновым составом – количественным составом фракций в определенной навеске грунта. При этом
фракция рассматривается как частицы грунта, близкие между собой
по размерам и свойствам. Для определения состава грунтов выполняют гранулометрический анализ. Для песчаных грунтов его выполняют ситовым методом, который заключается в просеивании
песка через сита с различными размерами отверстий. Для тонкозер-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]