Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Механика грунтов основания и фундаменты. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 203 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

2.2. ПРОИЗВОДНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

Характеристики грунтов, которые вычисляются по формулам с ис пользованием основных физических характеристик грунта, называют ся производными. К ним относятся:

а) плотность грунта в сухом состоянии –

ρρ

= mck/Vгрили

ρρ

= ρρ/(1 + W) (2.2.1)

– отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему (V

гр

= Vck+ Vn);

б) пористость грунта – или

n = 1 –ρρ/

ρρ

(1 + W) = 1 –

ρρ

(2.2.2)

– отношение объема пор к объему грунта.

Пористость может выражаться в процентах или в долях единицы;

в) коэффициент пористости – е – отношение объема пор к объему скелета грунта

e = V

n/Vck

или e =

ρρ

/ρρ(1 + W) – 1 =

ρρ

– 1. (2.2.3)

Зависимость между n и e может быть выражена:

n = e/(1 + e) (2.2.4)

e = n/1 – n; (2.2.5)

г) степень влажности – S

– отношение природной влажности к

влажности при полном водонасыщении грунта:

= Vв/Vnили Sг= W

ρρ

≤

1, (2.2.6)

где

ρρ

= 1 т/м3– плотность воды;

д) число пластичности – J

– разность двух влажностей, соответст

вующих состояниям грунта, – на границе текучести «W

» и на границе

раскатывания (пластичности) «W

»:

= WL– Wp; (2.2.7)

е) показатель текучести – J

– характеризует состояние глинистого

грунта:

= (W – Wp)/(WL– Wp) = (W – Wp)/Jp. (2.2.8)

2211

гр

n =

2.3. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГРУНТА

Гранулометрический или зерновой состав грунта – это относитель ное содержание в нем твердых частиц различной крупности, которое принято выражать в процентах от общей массы исследуемого грунта.

Состав грунта устанавливается гранулометрическим анализом, при котором твердые частицы разделяются на отдельные фракции по круп ности. Для этого применяется стандартный набор сит с диаметром отвер стий: 10; 2; 0,5; 0,25; 0,10 мм, через которые просеивают предварительно высушенный до постоянного веса образец грунта массой не менее 50 г.

При просеивании оставшиеся частицы крупнее 10 мм задерживают ся на верхнем сите, а частицы менее 0,10 мм собираются в чашечке под нижним ситом. Вес частиц, оставшихся на каждом сите, выраженный в процентах от общей массы сухого образца грунта, заносится в таблицу. Для наглядности данные гранулометрического состава грунтов изобра жаются в виде графика (рис. 2.3.2). При этом по вертикальной оси после довательно откладывают количество частиц каждого размера. Полу ченная кривая носит название кривой неоднородности грунта.

Степень неоднородности грунта

характеризуется коэффициентом

неоднородности

= d60/d10, (2.3.1)

где d

– диаметр частиц, меньше ко

торого в исследуемом грунте (по мас се) содержится 60% частиц;

– диаметр частиц, меньше которо

го в грунте содержится 10% частиц.

2222

10 мм

2 мм

0,5 мм

0,25 мм 0,10 мм

Рис. 2.3.1. Стандартный набор сит

для определения гранулометрического

состава грунта

100

60 50

40 30

0,05

0,24

0,05

0,10

0,25

lgd

Рис. 2.3.2. График неоднородности грунта

Глава 3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

3.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

В рыхлых горных породах при действии внешней нагрузки возника ют как общие деформации, так и деформации, вызванные взаимными перемещениями твердых минеральных частиц.

При нарушении структурных связей деформации грунта будут обусловлены, главным образом, взаимными перемещениями его частиц. Поэтому грунты обладают рядом особенностей и закономерностей, обусловленных природой рыхлых горных пород как минеральнодис персных образований. Они носят название «основные закономерности механики грунтов». К ним относятся:

– сжимаемость грунтов, обусловленная изменением пористости за счет более компактной упаковки частиц под действием внешней нагрузки;

– водопроницаемость, или зависимость между скоростью фильтра ции воды в грунте и действующим напором. Водопроницаемость являет ся переменной величиной, изменяющейся в процессе уплотнения грун тов под нагрузкой;

– контактная сопротивляемость сдвигу – обусловлена внутренним трением в сыпучих грунтах и трением со сцеплением в связных (глини стых) грунтах;

– деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и по датливости их структурных связей, так и от деформируемости отдель ных компонентов, образующих грунты. При статической нагрузке, большей прочности структурных связей в грунте возникают упругие (восстанавливающиеся) и остаточные деформации.

Сжимаемость грунтов является характернейшим их свойством, су щественно отличающим грунты от массивных горных пород и других твердых тел, и заключается в способности грунтов изменять свое стро ение под влиянием внешних воздействий на более компактное за счет уменьшения пористости грунта. Уменьшение пористости грунта при плотной компоновке частиц происходит за счет местных сдвигов, изме нения толщины водноколлоидных оболочек минеральных частиц под влиянием увеличения давления, высыхания, коагуляции и пр. На пере упаковку частиц грунта в значительной степени влияет ползучесть ске лета грунта и оболочек прочносвязанной воды.

Зависимость de = –adp выражает закон уплотнения грунта, который формулируется следующим образом: бесконечно малое изме

2233

нение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бес конечно малому изменению давления.

Основными характеристиками сжимаемости грунтов являются мо дуль общей деформации и коэффициенты бокового давления и попе речного расширения.

Второй особенностью грунтов как дисперсных (мелкораздроблен ных) пористых тел является их водопроницаемость, т.е. способность фильтровать воду. Твердые минеральные частицы в грунте занимают часть его объема, остальную занимают поры, которые обусловливают водопроницаемость. Различные виды грунтов обладают разной водо проницаемостью. При прочих равных условиях лучшей водопроницае мостью обладают песчаные грунты и меньшей – глинистые. От водопро ницаемости в значительной степени зависит скорость уплотнения под воздействием нагрузки, и она играет важную роль при решении ряда практических задач.

Движение воды в песчаных и глинистых грунтах можно рассматри вать с достаточной для практических целей точностью как параллельно струйное ламинарное движение. Опытами установлена следующая за висимость

ϑϑ

= k

I (3.1.1)

– скорость фильтрации воды в порах грунта прямо пропорциональ на гидравлическому градиенту. Это есть второй закон механики грун тов, называемый законом фильтрации.

При действии внешней нагрузки на массив грунта эффективные на пряжения могут превзойти прочность внутренних связей между части цами грунта, что вызовет скольжение одних частиц относительно дру гих, и может нарушиться сплошность грунта.

У песчаных грунтов (особенно у идеально сыпучих) внутреннее сопро тивление сдвигу частиц будет обеспечиваться трением, которое возника ет на контакте частиц. В идеально связных грунтах (вязкие дисперсные глины) силами внутреннего сопротивления являются внутренние струк турные связи и вязкость водноколлоидных оболочек частиц.

Опытные данные свидетельствуют о том, что сопротивление сдвигу несвязных грунтов есть только сопротивление трению, прямо пропорци ональное внешнему давлению. Сопротивление связных грунтов с водно коллоидными связями суммируется из вязкого сопротивления скольже нию и сил сцепления, которые зависят от уплотняющих давлений. Показатели сопротивления сдвигу являются основными прочностными характеристиками грунтов.

Результаты многочисленных испытаний свидетельствуют, что диа грамма предельных сопротивлений сдвигу сыпучих грунтов представ ляет собой прямую линию, исходящую из начала координат и накло

2244

ненную под углом к оси давлений (рис. 3.1.1). Предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу может быть выражено зависимостью

ττ

= Рitgϕϕ, (3.1.2)

гдеϕϕ– угол внутреннего трения грунта.

Это уравнение является основной прочностной зависимостью для сыпучих грунтов, установленной в 1773 г. К. Кулоном – предельное со

противление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Для глинистых грунтов со

противление сдвигу имеет вид

ττ

= Рitgϕϕ+ C (3.1.3)

и характеризуется двумя па раметрами: углом внутренне

го трения «ϕϕ» и удельным сцеплением «С».

Структурноразовая деформируемость грунтов

Применение к грунтам об щей теории напряжений, раз работанной для сплошных тел, требует специального рассмотрения. Отличительной

особенностью грунтов является то, что при передаче внешней нагрузки отдельные элементы грунтов (фазы) поразному оказывают сопротивле ние внешним нагрузкам и поразному деформируются. Поэтому при об щем рассмотрении важно изучить напряженнодеформируемые состоя ния грунта в целом и отдельных его фаз во взаимодействии между собой.

При анализе зависимостей деформаций от напряжения следует вы делить два вида грунтов: сыпучие и связные. При однородном загруже нии сыпучих грунтов возникают смещения и повороты зерен относи тельно друг друга, и это вызывает появление остаточных деформаций. На характер деформирования связных грунтов существенное влияние оказывают жесткие и вязкие структурные связи. При наличии жестких связей и действующей нагрузки в пределах прочности этих связей грунт будет деформироваться, как и сплошное тело. При вязких (водно коллоидных) связях отдельные связи разрушаются уже при сравни тельно небольших нагрузках, другие – при больших нагрузках. Так или иначе, в таких грунтах возникают упругие и остаточные деформации, причем последние значительно превосходят восстанавливающиеся. В общем случае напряжения и деформации связаны нелинейной зави

2255

Рис. 3.1.1. Графики испытаний грунтов

на сдвиг: 1 – песчаных; 2 – глинистых

симостью. Об этом также свидетельствуют результаты многочисленных экспериментальных исследований. Поэтому только при незначитель ных вертикальных давлениях (0,05 МПа для слабых и 0,1 МПа для плотных грунтов) зависимость деформаций от напряжений можно при нять с незначительной погрешностью прямолинейной. В этом случае для определения напряжений в грунтах с небольшой погрешностью мо гут быть применены решения теории упругости.

3.2. ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ УПЛОТНЕНИЮ И ЕГО ПОКАЗАТЕЛИ

Внутреннее сопротивление грунтов уплотнению проявляет свое дейст вие только в процессе развития деформации уплотнения, протекающего в пределах ограниченного объема зоны деформаций. Возникающие при этом деформации грунта зависят от целого ряда факторов и, в первую очередь, от величины эффективного давления «Р

», действующего в пределах объ ема зоны деформации. Величина эффективного давления в пределах зоны деформации непостоянна и постепенно уменьшается по мере удаления от подошвы фундамента по глубине и в стороны (рис. 3.2.1). На границе зоны деформации эффективное давление равно реактивному сопротивлению грунта уплотнению (Р

= Rгр). Действию эффективного давления препят

ствует реактивное сопротивление грунта при деформации «R

гр

».

Количественными показателями внутреннего сопротивления грун

тов уплотнению являются:

– модуль деформации грунта – Е

гр

;

– среднее значение модуля объемной деформации грунта – ; – среднее значение реактивного сопротивления грунта при деформа

ции – г р.

Если сжатие грунта про исходит без возможности объемной деформации (в одо метре или в другом подобном приборе), тогда определяется модуль деформации грунта.

Если испытание грунта выполняется в приборе с возможностью объемной де формации (прибор ОИСИ4), тогда определяются средний

модуль объемной деформа ции грунта и реактивное со противление в грунте при деформации.

2266

P, к н

На

P, МПа

S, см

Pэ

гр

Рис. 3.2.1. Характер развития деформации

уплотнения в пределах

ограниченного объема зоны деформации

гр гр

Модуль деформации грунта не является величиной постоянной, а по мере уплотнения грунта значение его возрастает. Это объясняется тем, что в процессе уплотнения уменьшаются пористость и влажность грун та и частицы сближаются друг с другом.

В основу определения модуля общей деформации грунта положена формула Гука

гр

= Р/, МПа, (3.2.1)

где Р – снимающее давление, МПа;



– относительная деформация.

Для грунтов относительную деформацию можно записать как отно шение осадки штампа или фундамента к глубине развития зоны дефор мации, т.е.



= s/h, тогда

гр

= Р h/s, МПа. (3.2.2)

По этой формуле значение модуля деформации грунта определяет ся при выполнении испытаний в одометре.

Если испытание грунта выполняется в приборе (ОИСИ4) с возмож ностью объемной деформации грунта, то среднее значение модуля объ емной деформации может быть определено по формулам

, МПа (3.2.3)

или

, МПа, (3.2.4)

где Р

= Р – Рсу– эффективное давление, МПа;

су

– структурное сопротивление грунта уплотнению, МПа;

= 0,5Р

– среднее значение эффективного давления в пределах

зоны деформаций, МПа;

– глубина развития зоны деформаций, м;

– объем зоны деформации, м3;

Vs = S А – объемная осадка штампа, м

(S – осадка; А – площадь

фундамента).

Реактивное сопротивление в грунте при деформации может быть оп ределено исходя из условия равенства работ внешних и внутренних сил (энергетическим методом).

Работа внешних сил «W

» определяется по формуле

, кН/м. (3.2.5)

Работа внутренних сил «W

гр

» определяется по формуле

, кН/м. (3.2.6)

Тогда при уравновешивании работы внешних сил работой внутрен них сил, т.е. W

= Wгр, можно записать следующее равенство:

2277

aэгр

HPE

×=

Saэгр

VVPE

×=

VPW ×=

гр

VRW ×=

Н



Vа/V



(3.2.7)

откуда

, МПа. (3.2.8)

Из двух формул (3.2.4 и 3.2.8), представленных выше, возникает вопрос: какая из них в большей степени соответствует истинному значению, характеризующему внутреннее сопротивление грунта уп лотнению?

Для этого из каждой формулы определим объем зоны деформации «V

». Из формулы Гука (3.2.4)

. (3.2.9)

Из формулы равенства работ (3.2.8) –

(3.2.10)

Анализируя представленные выше формулы (3.2.9 и 3.2.10), можно сделать следующие выводы:

– в формуле (3.2.9) объем зоны деформации «V

» прямо пропорцио

нален среднему значению модуля объемной деформации грунта «Е

гр

и обратно пропорционален действующему значению среднего эффек тивного давления «Р

». Отсюда следует вывод: чем больше значение модуля деформации грунта, тем больше объем зоны деформации, и, на оборот, чем больше эффективное давление, тем меньше объем зоны де формации;

– в формуле (3.2.10) объем зоны деформации «V

» прямо пропорци

онален эффективному давлению «Р

» и объемной осадке «Vs» и обрат

но пропорционален реактивному сопротивлению грунта при деформа ции «R

гр

». Отсюда следует вывод: чем больше эффективное давление, тем больше объем зоны деформации, и, наоборот, чем больше реактив ное сопротивление грунта, тем меньше объем зоны деформации грун та. Следовательно:

– в формуле (3.2.9) вывод не соответствует физической сущности

процесса развития деформации грунта под фундаментом и не под тверждается экспериментальными исследованиями;

– в формуле (3.2.10) отмеченное выше противоречие полностью ис

ключено, и, следовательно, она отвечает реальному процессу развития деформации грунта, происходящего в основании под подошвой фунда мента.

2288

гр

VRVP ×=×

гр

/VVРR ×=

гр

/RVPV ×=

гр

/РVЕV ×=

V



Vs/V



Vs/P



Vs/R

гр

3.3. ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТОВ УПЛОТНЕНИЮ

Определение показателей внутреннего сопротивления грунтов уп лотнению в лабораторных условиях может выполняться в компресси онном приборе, в приборе с возможностью объемной деформации грун та (ОНСИ4), либо на приборах трехосного сжатия.

На рис. 3.3.1 представлена схема испытания образца грунта в одоме тре (компрессионном приборе).

Образец грунта 1 помещается в ме таллическое кольцо 2 прибора между поршнем 3 и пористым дном 4, через которые может фильтровать содер жащаяся в образце свободная вода. При передаче на поршень 3 прибора

возрастающей нагрузки происходит сжатие грунта, которое фиксируется индикаторами 5.

Каждая ступень нагрузки выдер живается до прекращения деформации, т.е. до стабилизации осадки. В песчаных грунтах этот процесс проходит быстро, а в глинистых грун тах может длиться несколько дней.

Ступени нагрузки и соответствующие деформации грунта наносят

ся на графики S = f(p; t) и S = f(p) (рис. 3.3.2).

Первоначально ступени нагрузки не должны превышать 2,5 кПа. Это необходимо для определения величины структурного сопротивления грунта уплотнению, которая соответствует относительной деформации образца, равной 0,005, т.е. «Р

су

» соответствует при s/h = 0,005.

2299

D = 87,4 мм

h = 25 мм

Рис. 3.3.1. Схема испытания

образца грунта

на сжатие в одометре

б)

су

Рис. 3.3.2. Графики зависимости

а) S = f(Р; t); б) S = f(p)

После установления величины «Рсу» образец грунта загружается следующими ступенями нагрузки, равными 100; 200; 300 кПа.

Каждая ступень нагрузки выдерживается до условной стабилиза ции, и деформации грунта наносятся на графики (рис. 3.3.2). Сжимае мость грунта характеризуется зависимостью между коэффициентом пористости «е» и давлением «Р» (3.3.3).

Коэффициент пористости «е

», соответствующий давлению «

ρρ

», вы

числяется по формуле

(3.3.1)

где е

– начальный коэффициент пористости.

Коэффициент сжимаемости «

αα

» численно равен тангенсу угла на клона прямой АБ, заменяющей участок компрессионной кривой в пре делах интервала давлений Р

– Р1, и вычисляется по формуле

(3.3.2)

где е

; е2– коэффициенты пористости, соответствующие давлениям Р1и Р2.

Модуль общей деформации грунта «Е

» в тех же интервалах давлений вычисля ется по формуле

, (3.3.3)

где ββ– коэффициент, учитывающий не возможность бокового расширения грунта, принимаемый для песков и супесей – 0,76;

суглинков – 0,63 и глин – 0,42.

Значение модуля общей деформации грунта может быть также вычислено по формуле Гука

гр

= Р/

εε

(3.3.4)

где

εε

= s/h;

s – замеренная в приборе осадка, мм; h = 25 мм – высота образца в кольце.

Тогда

гр

=Р · h/S, МПа. (3.3.5)

Компрессионный прибор имеет существенный недостаток: вследст вие трения грунта о боковую поверхность цилиндра и невозможности объемной деформации грунта сжатие происходит несколько иначе, чем

3300

()

оi

ee +=

PPee-

==aa

Рис. 3.3.3.

Компрессионная кривая

E b

αα

–

αα

ββ

<<< < Предыдущая 1 23 / 203 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]