Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы геотехники. Учебное пособие
.pdf
11
нистых грунтов такой метод не применим из-за предельной тонкости ситовой ткани (0,1 мм) и сложности разделения в сухом виде
агрегатов на отдельные зерна, поэтому полный анализ выполняется
в 2 этапа. На первом этапе определяют процентное содержание зерен в породе с размером частиц > 0,1 мм, на втором – процентное
содержание зерен < 0,1 мм способом измерения скорости осаждения
частиц грунта в воде (метод отмучивания). К примеру, частицы
размером 0,05 мм осаждаются со скоростью, равной 1 см в 5 секунд,
а 0,001 мм – 3 часа 28 минут.
Наиболее простым методом анализа глинистых грунтов является ареометрический. Он основан на измерении ареометром плотности суспензированного раствора, которая меняется во времени
в связи с выпадением из раствора взвешенных частиц грунта. По
специальной монограмме ведут пересчет показаний ареометра
с учетом поправок на процентное содержание в грунте фракций того или иного размера.
Гранулометрический анализ можно проводить пипеточным
методом Сабанина. Он основан на отборе из водного раствора проб
через определенные промежутки времени с известной глубины и
определении сухого остатка путем выпаривания и взвешивания.
Этот метод более трудоемок, чем ареометрический, требует
больше времени и большого количества дистиллированной воды.
Результаты гранулометрического анализа изображают графически в полулогарифмической шкале с помощью кривой однородности (рис. 1).
Крупнообломочные и песчаные грунты дополняют сведениями
об их неоднородности. Степень неоднородности Сн определяют по
формуле
С
н
=d60/d10,
(1)
где d60 и d10 – диаметры частиц, меньше которых в данном грунте
содержится по массе соответственно 60 и 10 %. Грунты считаются
однородными при Сн ≤ 3 и неоднородными при Сн > 3. О степени
неоднородности можно судить по характеру кривой гранулометрического состава: чем круче кривая, тем более однородным является
грунт.
12
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
глина пыль песок гравий
0,0001 0,001
0,01
0,1 1,0 10
Размер частиц, мм
Содержание частиц, %
Рис. 1. Кривые гранулометрического анализа
в полулогарифмическом виде:
1 – глина; 2 – пылеватый суглинок; 3 – песок
Общие физические свойства грунтов подразделяются на
2 группы: основные – определяемые на основе лабораторных иссле-
дований; расчетные – определяемые расчетом.
В лабораторных условиях определяются:
1) удельный вес – вес единицы объема грунта в естественном
состоянии. Если обозначить V1 – объем твердых частиц, V2 – объем
пор, q1 – вес твердых частиц, q2 – вес воды в порах грунта (вес воздуха не учитывается), (рис. 2), то удельный вес γ можно выразить
γ=
q
1
+q
2
V
1
+V
2
, H/м3.
(2)
V
2
V
1
q
1
q
2
Рис. 2. Схема составных частей грунта
13
Иногда используют термин плотность – масса единицы объема
грунта в естественном состоянии. Если обозначить m1 – масса твердых частиц, m2 – масса воды в порах грунта, то плотность ρ можно
выразить так:
ρ=
m
1
+m
2
V
1
+V
2
, кг/м3.
(3)
Для большей части грунтов плотность находится в пределах
1200–2400 кг/м3, для торфа < 1000 кг/м3.
Удельный вес грунта и его плотность связаны соотношением
γ=ρ∙g,
(4)
где g – ускорение свободного падения;
2) удельный вес (плотность ρ
s
) частиц грунта γs – отношение
веса (массы) сухого грунта к объему, занимаемому частицами грунта:
γ
s
=q1/V
1
, H/м3,
(5)
ρ
s
=m1/V
1
, кг/м3;
(6)
3) влажность грунтов (весовая) W – отношение массы (m
в
) во-
ды к массе твердых частиц (mс):
W=mв/mс.
(7)
Влажность большинства рыхлых грунтов меняется в пределах
0,01–0,4, однако встречаются грунты (например, илы, торфы), у ко-
торых влажность может значительно превышать единицу.
Расчетные характеристики грунтов:
1) коэффициент пористости е – отношение объема пор к объ-
ему минеральной части грунта:
e=V2/V1,
(8)
e=n/m,
(9)
где n – объем пор в единице объема грунта (пористость), n=
V
2
V
1
+V
2
,
где m – объем твердых частиц в единице объема грунта, m=
V
2
V
1
+V
2
,
m+n=1.
(10)
Объем твердых частиц в единичном объеме грунта можно
определить и по формуле
m=γd/γs,
(11)
14
где γd – удельный вес (плотность) сухого грунта, равный весу сухого грунта в общем объеме грунта.
γ
d
=
q
1
V
1
+V
2
,
(12)
ρ
d
=
m
1
V
1
+V
2
.
(13)
Выполнив простейшие преобразования, получим
n=1 – m=1 –
γ
d
γ
s
.
(14)
Подставив полученные выражения (11) и (14) в формулу (9),
получим
e=γs/γd – 1;
(15)
2) удельный вес сухого грунта можно определить из условия
W=(γ – γd)/γd.
(16)
Откуда
γ
d
=γ/(1+W),
(17)
ρ
d
=
ρ
1+W
.
(18)
Решая систему уравнений (10) и (11), получим
n=e/(1+e),
(19)
m=1/(1+e);
(20)
3) пористость грунта можно определить по формуле
n=
γs – γ
d
γ
s
∙100%.
(21)
Пористость грунтов зависит от степени дисперсности и условий формирования грунта, например, у лессов она может достигать
60–70 %, а у большинства используемых в строительстве грунтов
пористость изменяется от 20 до 50 %. Для одного и того же грунта
она не является постоянной и уменьшается при увеличении давления на грунт, поэтому при инженерных расчетах используют e коэффициент пористости. Величина его изменяется в довольно широких пределах – от 0,2 до 1,5, а для органоминеральных – до 2–12.
Для достаточно уплотненных грунтов e < 1, если же e > 1, то это показывает, что грунт весьма рыхлого, неуплотненного сложения, и
строительство на таких грунтах зданий, сооружений требует специ-
15
альных мер по их упрочнению. Это свидетельствует о том, что объем пор больше объема твердых частиц;
4) коэффициент водонасыщения грунта Sr – отношение при-
родной влажности к полной влагоемкости W
sat
грунта:
S
r
=W/
W
sat
.
(22)
Полная влагоемкость представляет собой такую влажность,
когда все поры заполнены водой:
W
sat
=
e ∙ γ
W
γ
s
,
(23)
где γW – удельный вес воды, равный 1·104 Н/м3.
После подстановки значений W
sat
в формулу (22) получим
S
r
=
W∙γ
s
e∙γ
W
.
(24)
По ГОСТ 25100-95 крупнообломочные и песчаные грунты по
степени влажности подразделяются на грунты малой степени водонасыщения 0 < Sr ≤ 0,5; средней степени водонасыщения 0,5 < Sr ≤ 0,8;
насыщенные водой 0,8 < Sr ≤ 1.
Грунты, залегающие ниже уровня подземных вод, находятся
в состоянии грунтовой массы и испытывают взвешивающее воздействие воды. Удельный вес грунта, облегченного весом вытесненной
воды, определяется по формуле
γ
sв
=
γs – γ
W
1+e
.
(25)
Природное состояние глинистых и песчаных грунтов во многом определяет строительные свойства грунтов. Для оценки природного состояния глинистых грунтов вводится показатель текучести (консистенции):
I
L
=
W – W
WL – W
P
,
(26)
где WP, WL – соответственно влажность на границе раскатывания
и текучести; W – природная влажность. WP называется такая влажность, при которой грунт теряет пластичность. Ее называют нижней
границей пластичности. WL – влажность на границе текучести, или
верхняя граница пластичности. При такой влажности грунт переходит в текучее состояние. Разность между ними, выраженная в процентах, называется числом пластичности IP.
16
I
P
=W
L
– WP.
(27)
В зависимости от IP глинистые грунты подразделяются на следующие виды: супеси 1 ˂ IP ≤ 7; суглинки 7 < IP ≤ 17; глины IP > 17.
По показателю текучести IL в соответствии с ГОСТ 25100-95
глинистые грунты подразделяются на супеси: твердые IL < 0, пластичные 0 ≤ IL ≤ 1, текучие IL > 1; суглинки и глины: твердые IL < 0,
полутвердые 0 ≤ IL ≤ 0,25, тугопластичные 0,25 < IL ≤ 0,50, мягкопластичные 0,5 < IL ≤ 0,75, текучепластичные 0,75 < IL ≤ 1, текучие
I
L
> 1.
Для оценки природного состояния песчаных грунтов определяется их плотность, в соответствии с этим они подразделяются на
плотные, средней плотности и рыхлые (табл. 1).
Таблица 1
Оценка песчаных грунтов по плотности
Разновидность
песков
Коэффициент пористости
пески гравелистые
и средней крупности
пески
мелкие
пески
пылеватые
Плотный
Средней плотности
Рыхлый
< 0,55
0,55–0,70
> 0,70
< 0,60
0,60–0,75
> 0,75
< 0,60
0,60–0,80
> 0,80
Связность грунтов – способность сопротивляться внешнему
усилию (нагрузкам), стремящемуся разъединить частицы грунта.
Связность грунтов – это способность тонкодисперсных грунтов образовывать после смачивания их водой и последующего высушивания компактную массу, не распадающуюся на отдельные элементарные частицы. По этому признаку грунты разделяют на связные
(глины, суглинки, супеси) и несвязные (пески, крупнообломочные
грунты).
Липкость грунтов – способность прилипать к поверхности
различных предметов, приходящих с ними в соприкосновение, при
определенном содержании влаги, она измеряется в паскалях. Начинает проявляться лишь при влажности, несколько большей влажности на границе раскатывания, и достигает максимума при влажности, несколько меньшей границы текучести.
Набухаемость грунтов – способность грунтов увеличивать
свой объем в процессе смачивания водой или другими жидкостями.
Характеризуется числом набухания – приращения объема набухшего грунта в процентах от объема сухого.
17
Усадка грунтов – способность влажных грунтов уменьшать
свой объем при высыхании. Обладают ею только связные грунты,
при этом уменьшение объема до известного предела равно количеству испарившейся воды. При определенной влажности, называемой пределом усадки, объем образца перестает уменьшаться, но испарение воды продолжается, и, следовательно, масса образца убывает. В результате грунт становится плотнее, что увеличивает его
сопротивление деформациям. Усадка характеризуется уменьшением
размеров или объема.
ГЛАВА 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ
При воздействии на грунт местной постепенно возрастающей
нагрузки он испытывает сложное напряженное состояние, отличающееся в значительной степени от компрессионного сжатия.
В этом случае грунт кроме нормальных испытывает и касательные
напряжения, которые при достижении определенного значения могут вызвать необратимые скольжения (сдвиги). На рис. 3 приведена
кривая деформации грунта. Пока внешней нагрузкой не превзойдена структурная прочность грунта, он испытывает незначительные
деформации, которые вполне упруги и поэтому полностью восстанавливаются после снятия давления.
P
0
P
1
P
2
P
3
I фаза
III фаза
II фаза
a
b
c
0
Рис. 3. Кривая деформации грунта
С увеличением нагрузки (за пределом структурной прочности)
возникает уплотнение грунта, сопровождающееся уменьшением пористости под нагруженной поверхностью. Эта фаза напряженного
состояния грунта называется I фазой – фазой уплотнения. Осадки в
фазе уплотнения обычно невелики. Для зданий и опор мостов они
18
не превышают нескольких сантиметров и лишь для больших плотин
и дорожных насыпей на торфяных болотах – десятки сантиметров.
Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к тому, что в отдельных
точках грунта силы внутреннего сопротивления оказываются недостаточными, и между частицами грунта возникают скольжения,
формирующиеся в площадки скольжения и зоны сдвигов. Так наступает II фаза – фаза сдвигов. В этой фазе рост осадок значительно
опережает увеличение внешней нагрузки, поэтому зависимость
между деформациями и напряжениями имеет нелинейный характер.
При достижении нагрузкой некоторого критического значения
постепенно появляющиеся в грунте зоны сдвигов, сливаясь, образуют сплошную поверхность скольжения, по которой происходит
выпирание грунта из-под нагруженной площадки, сопровождающееся ее резким погружением. Наступает III фаза деформации – фаза
нарушения устойчивости и разрушения. Под площадкой образуется
уплотненное ядро, раздвигающее грунт. Осадка происходит почти
мгновенно (просадка сооружения). Деформации в III фазе называют
пластическими или прогрессирующими.
Осадки во II фазе существенно больше, чем в I фазе. Осадки
III фазы, наблюдающиеся при авариях ряда сооружений, достигали
нескольких метров. Переход из одной стадии деформации в другую,
особенно из II в III, не бывает резко выражен, поэтому разграничение между ними проводится условно.
σx
h
P
σy
σz
σx
σy
σz
Рис. 4. Схема действия напряжений в грунте
В каждой точке массива грунта действуют три нормальных x,
y
, z и три касательных напряжения τxy, τxz, τyz (рис. 4). Как пра-
вило, при расчете грунтовых оснований из всех шести используется
19
одно – σz (вертикальное нормальное напряжение). Остальные пять
не учитываются, они находят применение при решении некоторых
частных вопросов механики грунтов.
В настоящее время в механике грунтов при определении
напряжений, действующих в массиве грунтов, используют решения
линейной теории упругости.
Решения теории упругости применяют к задачам о напряженно-деформированном состоянии сплошных упругих изотропных
тел. Чтобы эти решения использовать для грунтов, приходится принимать ряд допущений и вводить некоторые ограничения.
Всего три допущения.
1. При определении напряжений в массиве грунта методами
линейной теории упругости грунт считается линейно-деформируемым телом. На рис. 5 показан график зависимости осадки жесткого
штампа (фундамента) от давления, действующего по его подошве.
ветвь разгрузки
ветвь нагрузки
(уплотнения)
P
0
S
1
P
1
Рис. 5. График зависимости осадки жесткого штампа
от давления, действующего по его подошве
В действительности это допущение не противоречит реальному поведению грунта при небольших давлениях. От 0 до 1 грунт ведет себя как линейно-деформированное тело, а дальше – не линейно-деформированное тело.
2. Загружение основания является одноразовым (нагрузку с
основания не снимаем, нагружаем и не разгружаем).
3. Грунт является сплошным телом. Фактически это не так.
Грунт является телом дискретным, так как состоит из пустот и частиц. В точках контактов частиц напряжения будут больше средних
значений.
20
Таким образом, при определении напряжений в массиве принимают, что грунт является сплошным линейно-деформируемым
телом, испытывающим одноразовое загружение. При этих условиях для определения осредненных напряжений в точке массива
грунта используют решение теории упругости.
2.1. Определение природных напряжений,
действующих в массиве грунта
Напряжения от собственного веса грунта в условиях его природного залегания представляют интерес с точки зрения комплексного изучения массива грунта в случае рассмотрения его прочности
и устойчивости. Напряжения от собственного веса грунта принято
называть природными напряжениями. Для определения природных
напряжений выделим в грунтовом массиве на глубине h площадку
размером F = a · b (рис. 6).
a
b
h
F
Рис. 6. Схема для определения природных напряжений
На эту площадку будет оказывать давление столб грунта, вес
которого можно определить по формуле
P=γ∙V,
(28)
где γ – удельный вес грунта; V – объем грунта, V = F · h.
Для определения природных напряжений воспользуемся формулой
σ
zg
=P/F
(29)
или
σ
zg
=γ∙F∙h/F=γ∙h.
(30)
В случае, когда грунтовый массив сложен отдельными слоями,
величину природных напряжений можно определить по формуле
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]