Грунты учебник
.pdf
Г.В. КАНАКОВ, В.Ю. ПРОХОРОВ
МЕХАНИКА ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Базовые положения курса лекций
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет
Г.В. КАНАКОВ, В.Ю. ПРОХОРОВ
МЕХАНИКА ГРУНТОВ,
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Базовые положения курса лекций
для слушателей курсов повышения квалификации, студентов ННГАСУ заочной формы обучения
Нижний Новгород ННГАСУ
2013
УДК 624.15.04
Канаков Г.В., Прохоров В.Ю.. Механика грунтов, основания и фундаменты.
Базовые положения курса лекций. – Н.Новгород, ННГАСУ, 2013 г. 98 с.
За основу курса взяты лекции, читаемые авторами в Нижегородском государственном архитектурно – строительном университете (ННГАСУ) и Межотраслевом институте повышения квалификации и переподготовки руководящих кадров (МИПК ННГАСУ).
Представлены только базовые положения курса «Механика грунтов, основания и фундаменты», которые составлены в соответствии с положениями действующих строительных норм и правил, ГОСТ, инструкций и указаний, и являются основой для разработки и использования программного компьютерного обеспечения при проектировании оснований и фундаментов зданий сооружений.
Для более глубокого изучения слушатели МИПК ННГАСУ и студенты ННГАСУ заочной формы обучения могут обращаться к учебникам и нормативным документам, приведённым в списке рекомендуемой литературы.
Рисунков – 75, таблиц – 10, библиографических названий
– 10.
© 2013 г.
© КАНАКОВ Г.В.
© ПРОХОРОВ В.Ю.
|
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
|
|
Введение………………………………………………………………… |
|
|
…. |
........5 |
|||
1. |
Физико-механические свойства грунтов………………………….. |
|
|
……7 |
|||
|
1.1. |
Составные части грунтов и их классификация……………… |
… |
……7 |
|||
|
1.2. |
Структура и текстура грунтов…………………………………… |
|
|
…..10 |
||
|
1.3. |
Физические свойства грунтов…………………………………… |
|
|
…..10 |
||
|
1.4. |
Механические свойства грунтов………………………………… |
|
|
…..15 |
||
2. Теория распределения напряжений в грунте…………………… |
|
.. …..22 |
|||||
|
2.1. Распределение напряжений в случае пространственной |
|
|
||||
|
|
задачи............................................................................................... |
|
|
|
|
…..22 |
|
2.2. |
Распределение напряжений в случае плоской задачи…………. |
|
…..24 |
|||
|
2.3. Распределение напряжений при наличии жесткого |
|
|
||||
|
|
подстилающего слоя……………………………………………... |
|
|
…..28 |
||
|
2.4. |
Фактические и расчетные эпюры контактных напряжений…... |
…..28 |
||||
3. Теория предельного напряженного состояния грунтов………… |
|
…..29 |
|||||
|
3.1. Фазы напряженного состояния грунта. Критические нагрузки |
|
|||||
|
|
на грунты основания……………………………………………... |
|
|
…..29 |
||
|
3.2. |
Начальная критическая нагрузка на грунт……………….…….. |
|
…..32 |
|||
|
3.3. |
Предельная нагрузка на грунт………………………………… |
|
... …..32 |
|||
4. Расчет оснований и фундаментов по деформациям…………… |
... …..34 |
||||||
|
4.1. Принцип расчета оснований и фундаментов по деформациям |
|
|||||
|
|
и виды деформаций………………………………………………. |
|
|
…..34 |
||
|
4.2. Определение |
осадки |
методом послойного |
суммирования |
|
||
|
|
(нормативный метод)…………………………………………….. |
|
|
…..35 |
||
|
4.3. Определение осадки линейно-деформируемого слоя конечной |
|
|||||
|
|
толщины (нормативный метод)…………………………………. |
|
|
…..38 |
||
|
4.4. |
Определение осадки во времени………………………………… |
|
|
…..39 |
||
5. |
Основные положения по проектированию и классификация |
|
|||||
|
фундаментов…………………………………………………… |
|
……... |
|
…..40 |
||
|
5.1. |
Задачи проектирования оснований и фундаментов……………. |
|
…..40 |
|||
|
5.2. |
Классификация фундаментов…………………………………… |
|
|
…..40 |
||
6. Проектирование фундаментов мелкого заложения……………... |
|
…..41 |
|||||
|
6.1. |
Определение глубины заложения подошвы фундаментов……. |
|
…..41 |
|||
|
6.2. Определение |
размеров |
подошвы центрально-нагруженного |
|
|||
|
|
фундамента……………………………………………………… |
|
.. …..43 |
|||
|
6.3. |
Конструирование сборных и монолитных фундаментов……… |
|
…..46 |
|||
7. |
6.4. |
Гидроизоляция фундаментов…………………………………… |
|
. …..49 |
|||
Свайные фундаменты……………………………………………….. |
|
|
…..52 |
||||
|
7.1. |
Классификация свай и свайных фундаментов…………………. |
|
…..52 |
|||
|
7.2. Определение |
несущей |
способности свай |
по расчетным |
|
||
|
|
формулам......................................................................................... |
|
|
|
|
…..56 |
3
|
7.3. Определение несущей |
способности свай |
по результатам |
|||
|
|
полевых исследований…………………………………… |
|
…….... |
…..60 |
|
|
7.4. |
Расчет и проектирование свайных фундаментов………………. |
|
…..62 |
||
8. |
7.5. |
Расчет осадки свайного фундамента………………………… |
|
…. |
…..65 |
|
Проектирование искусственных оснований……………………… |
|
…..67 |
||||
|
8.1. Основные положения |
и классификация |
искусственных |
|||
|
|
оснований……………………………………………………… |
|
|
…. |
…..67 |
|
8.2. |
Проектирование грунтовых подушек……………………… |
|
…... |
…..70 |
|
|
8.3. |
Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками………………… |
|
..…..71 |
||
|
8.4. |
Поверхностное уплотнение грунтов…………………………… |
|
|
. …..73 |
|
|
8.5. |
Глубинное виброуплотнение грунтов…………………… |
|
…...… |
…..74 |
|
|
8.6. |
Уплотнение грунтов песчаными сваями………………… |
|
...…… |
…..76 |
|
|
8.7. |
Уплотнение грунтовыми сваями………………………… |
|
...…… |
…..77 |
|
|
8.8. |
Термическое закрепление грунтов……………………………… |
|
|
…..78 |
|
|
8.9. |
Силикатизация грунтов……………………………………… |
|
..… |
…..79 |
|
9. |
8.10.Электрохимическое закрепление грунтов……………………… |
|
…..80 |
|||
Фундаменты на лессовидных просадочных грунтах……….…… |
|
…..81 |
||||
|
9.1. |
Основные положения…………………………….……………… |
|
|
…..81 |
|
|
9.2. |
Характеристики просадочных свойств………………….……… |
|
|
…..81 |
|
|
9.3. |
Расчет просадочных деформаций………………………..……… |
|
|
…..82 |
|
10. |
9.4. |
Основные принципы строительства на просадочных грунтах... …..83 |
||||
Фундаменты на насыпных грунтах………………………………... |
|
|
…..84 |
|||
|
10.1.Основные положения и классификация насыпных грунтов….. |
…..84 |
||||
|
10.2.Расчет оснований, сложенных насыпными грунтами……… |
…. |
…..86 |
|||
|
10.3.Основные принципы строительства на насыпных грунтах…… |
…..87 |
||||
11.Фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов…………………............................................ ............................ …..88
11.1.Основные положения……………………………………………. |
|
|
…..88 |
|
11.2.Основные принципы использования вечномерзлых грунтов в |
||||
качестве основания зданий и сооружений……………… |
….….. |
…..88 |
||
12. Фундаменты под машины с динамическими нагрузками……… |
…..91 |
|||
12.1.Основные положения……………………………… |
|
…………….. |
|
…..91 |
12.2.Основные типы фундаментов под машины с динамическими |
||||
нагрузками…………………… |
…… |
……………………………... |
|
…..92 |
13. Реконструкция и ремонт фундаментов, строительство в |
||||
условиях стесненной застройки городской территории…..… |
…. |
…..93 |
||
13.1.Основные положения по строительству и реконструкции |
||||
фундаментов в стесненных условиях городской застройки…... |
…..93 |
|||
13.2.Реконструкция, ремонт и усиление фундаментов………...…… |
|
…..94 |
||
13.3.Возведение фундаментов вблизи существующих зданий…… |
...…..96 |
|||
Литература………………………… |
…… |
………………………… |
…. |
…..98 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Курс состоит из двух частей:
1.Механика грунтов – часть строительной механики, которая занимается вопросами деформации и прочности дисперсных тел. Объекты изучения
– рыхлые горные породы минерального состава, которые и называются грунтами.
2.Основания и фундаменты – часть строительной механики, которая занимается вопросами проектирования различных видов фундаментов в различных инженерно-геологических условиях.
Рис. 1. Схема фундамента на естественном основании
Согласно схеме рис. 1. |
|
|
|
||
Фундаментом ( I ) называется |
подземная |
часть |
сооружения, |
||
|
|
предназначенная для передачи нагрузок от веса |
|||
|
|
сооружения на грунты основания. |
|
||
b |
– |
ширина подошвы фундамента; |
|
|
|
bc |
– |
ширина фундаментной стены; |
|
|
|
af |
– |
ширина уступа фундамента; |
|
|
|
kу |
– |
высота уступа фундамента; |
|
|
|
d |
– |
глубина заложения фундамента от уровня планировки; |
|||
|
|
|
5 |
|
|
dn – глубина заложения фундамента от поверхности природного рельефа;
I– длина подошвы фундамента;
А– площадь подошвы фундамента;
NL |
– |
отметка поверхности природного рельефа; |
DL |
– |
отметка планировки; |
FL |
– |
отметка подошвы фундамента; |
n0I, n0II |
– |
расчетное усилие на 1 пог. метр ленточного фундамента, |
|
|
действующее на верхнем его обрезе, при расчете |
|
|
соответственно по первому или второму предельному |
|
|
состоянию; |
nI, nII |
– |
расчетное усилие на 1 пог. метр ленточного фундамента, |
|
|
действующее на подошву фундамента при расчете |
|
|
соответственно по первому или второму предельному |
|
|
состоянию; |
N0I, N0II |
– |
расчетное усилие на верхнем обрезе столбчатого фундамента |
|
|
при расчете соответственно по первому или второму |
|
|
предельному состоянию; |
NI, NII |
– |
расчетное усилие на подошву столбчатого фундамента при |
|
|
расчете соответственно по первому или второму предельному |
|
|
состоянию. |
Основанием ( II ) называется массив грунта, расположенный ниже подошвы фундамента, воспринимающий нагрузку от сооружения.
Нс – глубина сжимаемой толщи; НДЗ – напряженно – деформируемая зона;
h – толщина слоя грунта; s – осадка основания;
BC – нижняя граница сжимаемой зоны; WL – уровень подземных вод.
Выделяют естественные и искусственные основания. В отличие от первых искусственные основания получают путем закрепления или упрочнения слабых грунтов (рыхлые песчаные, заторфованные, иловатые грунты и др.).
Грунт, расположенный непосредственно под подошвой фундамента, называется несущим слоем, а расположенные ниже – подстилающими слоями.
6
1.ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
1.1.Составные части грунтов и их классификация
Механика грунтов занимается рыхлыми горными породами, образованными в процессе физического и химического выветривания. Они покрывают 80% земной суши и не могут создаваться искусственно; их физико-механические свойства формируются в течение тысячелетий. Грунт – это в основном трехфазная система:
1фаза – твердая (минеральные частицы);
2фаза – жидкая (вода в порах); 3фаза – газообразная (пар и газ в порах).
Если грунт состоит только из 1-ой и 2-ой фаз, то он рассматривается как «грунтовая масса». В районах вечной мерзлоты грунт рассматривается как 4-х фазная система, в которой часть воды представлена льдом.
Содержание в грунте органических веществ в виде растительных остатков или гумуса существенно отражается на его свойствах.
Рассмотрим 3 основные фазы.
1.1.1. Твердая фаза.
Она представлена частицами различной крупности и минерального состава. Все грунты делятся на скальные и нескальные.
−скальные – магматические, метаморфические, осадочные (с жесткими связями между частицами, представлены сплошным массивом);
−нескальные – песчаные, крупнообломочные, глинистые.
Так как в инженерной практике в основном строительство зданий и сооружений ведут на нескальных грунтах, то рассмотрим их детально.
|
Таблица 1 |
Классификация крупнообломочных грунтов |
|
Наименование грунта |
Распределение частиц по |
|
крупности в % от веса сухого |
|
грунта |
Валуны (при неокатанных частицах |
Масса частиц крупнее 200 мм более |
– глыбовый) |
50% |
Галечниковый (при неокатанных |
Масса частиц крупнее 10 мм более |
частицах – щебеночный) |
50% |
Гравийный (при неокатанных |
Масса частиц крупнее 2 мм более |
частицах – дресва) |
50% |
7
|
|
|
Таблица 2 |
Классификация песчаных грунтов |
|
||
Наименование грунта |
Распределение частиц по крупности в |
||
|
|
% от веса сухого грунта |
|
Гравелистый песок |
Масса частиц крупнее |
2 мм более 25% |
|
Крупный песок |
Масса частиц крупнее |
0,5 мм более 50 % |
|
Средний песок |
Масса частиц крупнее |
0,25 мм более 50% |
|
Мелкий песок |
Масса частиц крупнее |
0,1 мм более 75% |
|
Пылеватый песок |
Масса частиц крупнее |
0,1 мм менее 75 % |
|
|
|
|
Таблица 3 |
Классификация глинистых грунтов |
|||
Наименование грунта |
|
Число пластичности |
|
|
|
|
Jp |
Супесь |
|
1 ≤ Jp ≤ 7 |
|
Суглинок |
|
7 ≤ Jp ≤ 17 |
|
Глина |
|
Jp > 17 |
|
Наличие органических соединений в указанных грунтах увеличивает их деформационные свойства. В связи с этим вводится показатель Jom – степень заторфованности – это отношение веса органических веществ в образце грунта, высушенном при t = 105°, к весу минеральной части образца. В зависимости от Jom к названию грунта добавляют фразы:
−при Jom = 0,03÷0,1 – « с примесью растительных остатков»;
−при Jom = 0,1÷0,25 – « мало заторфованный»;
−при Jom = 0,25÷0,4 – « средне заторфованный»;
−при Jom = 0,4÷0,6 – « сильно заторфованный».
Ил – глинистый грунт в начальной стадии своего формирования при наличии микробиологических процессов, влажность которого больше чем влажность при пределе текучести (W > WL) и коэффициент пористости для супеси е ≥ 0,9; для суглинка е ≥ 1,0; для глины е ≥ 1,5.
1.1.2. Жидкая фаза.
Различают следующие виды воды:
−прочносвязанная;
−рыхлосвязанная;
−гравитационная.
Схема электромолекулярного взаимодействия между водой и минеральной частицей представлена на рис. 2.
8
Рис. 2. Схема электромолекулярного взаимодействия
Глинистая частица на своей поверхности носит отрицательный заряд; молекула воды – электрически нейтральна (диполь), но, попадая в электрическое поле, ориентируется и притягивается к поверхности частицы. 1 – 4 ряд молекул имеют плотную укладку, имеют свойства прочного тела и называются прочносвязанной водой.
Следующие 15 рядов имеют более рыхлую укладку, не замерзают при –5° С, оказывают влияние на пластические свойства грунта и называются
рыхлосвязанной водой.
За пределами находится гравитационная (свободная) вода, которая может передвигаться под действием собственного веса.
1.1.3. Газообразная фаза.
Это воздух или пар в порах. Выделяют замкнутую и открытую системы
(рис. 3).
Рис. 3. Основные системы воздуха или пара в порах грунта
9