Учебное пособие. Механика грунтов

А.В. Никулин

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Учебное пособие

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет строительства и архитектуры Кафедра строительного производства

А.В. Никулин

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Рекомендовано Ученым советом Вятского государственного университета в качестве учебного пособия

Киров 2006

2

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Вятского государственного университета

УДК 624.15 Н 651

Рецензенты: ООО Институт "Кировгражданпроект", главный инженер проекта А.А. Климович, начальник строительного отдела Т.В. Попова;

ООО Научно-производственный центр по обследованию,

восстановлению и усилению строительных конструкций "Витрувий", главный инженер М.А. Ветлужских; Кафедра Архитектуры и градостроительства ВятГУ, доцент кафедры, кандидат технических наук М.Н. Крупин.

Никулин, А. В. Механика грунтов: Учебное пособие / А.В. Никулин, – Киров: Изд-во ВятГУ, 2006. – 151 с.

Учебное пособие подготовлено в соответствии с рабочими программами дисциплины "Механика грунтов" по специальностям 290300 "Промышленное и гражданское строительство" и 290500 "Городское строительство и хозяйство", преподаваемым в Вятском государственном университете. Вопросы, представленные в пособии, соответствуют требованиям действующих нормативно-технических документов в области строительства, снабжены необходимыми комментариями.

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором

610000, г. Киров, ул. Московская, 36 Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.

©А.В. Никулин, 2006.

©Вятский государственный университет, 2006.

3

ВВЕДЕНИЕ

Грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования. Состав, строение и свойства грунтов различных

строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения. Основной особенностью грунта, отличающей его от любых других строительных материалов, и оказывающей влияние на его физико-механические свойства, является раздробленность (дисперсность). Частицы грунта могут удерживаться от смещения силами трения, сцепления или цементирующим веществом. Часть объема грунта занимают твердые частицы, часть пустоты (поры), причем поры частично или полностью могут быть заполнены водой.

Механика грунтов есть механика природных дисперсных (мелко раздробленных) тел и составляет часть общей геомеханики, в которую как составные части входят глобальная и региональная геодинамика, механика скальных горных пород, механика нескальных (рыхлых) горных пород (природных грунтов) и механика органических и органоминеральных масс (илов, торфов и пр.). Механика грунтов изучает напряженно- деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд других вопросов. Целью механики грунтов

является оценка состояния грунтов в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов, прогноз происходящих в них процессов.

Основными задачами механики грунтов являются:

∙ Установление физических и механических свойств грунтов и возможности их использования в нужных целях, в случае необходимости улучшение строительных свойств грунтов.

4

∙Определение напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов, прогноз дальнейшего его изменения.

∙Определение общей устойчивости грунтовых массивов, взаимодействующих с инженерными сооружениями, либо устойчивости самих грунтовых массивов, если они являются сооружениями.

Знание механики грунтов позволяет грамотно оценивать несущую способность грунтов основания, совершенствовать проектные и технологические решения в области фундаментостроения, что приводит к существенной экономии материальных и трудовых ресурсов, сокращению сроков строительства зданий и сооружений. Недоиспользование несущей способности грунтов оснований приводит к удорожанию строительства. С другой стороны, ошибочно преувеличенная оценка строительных свойств грунтов часто бывает причиной аварий сооружений. Механика грунтов тесно связана с инженерной геологией, сопротивлением материалов, теориями упругости, пластичности и ползучести, строительной механикой, методами математического анализа.

При подготовке данного учебного пособия были использованы учебники, учебные пособия и нормативные документы, представленные в библиографическом списке, поскольку основной целью пособия явилось обобщение имеющейся нормативно-технической, научно-практической

информации и ее изложение применительно к требованиям рабочих программам дисциплины "Механика грунтов" по специальностям 290300 "Промышленное и гражданское строительство" и 290500 "Городское строительство и хозяйство", преподаваемым в Вятском государственном университете.

Автор приносит благодарность рецензентам за ценные замечания, высказанные в процессе подготовки рукописи к изданию.

5

1.СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ

1.1.Грунтовые основания. Происхождение и условия

формирования грунтов

Всякое сооружение располагается на грунтовом основании и составляет с основанием единую систему. В зависимости от геологического строения участка застройки, строение основания даже на близко расположенных участках может быть различным (рис. 1). Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, определенным образом сочетающихся в пространстве. Иногда основание может состоять из грунта одного типа. С

геологической точки зрения грунты чаще всего являются наиболее "молодыми" осадочными отложениями и относятся к четвертичной геологической системе.

Рис. 1. Пример взаимодействия сооружения с основанием:

1 – надземная часть сооружения; 2 – фундамент; 3 – подошва фундамента;

4 – несущий слой основания; 5 – подстилающие слои основания; d – глубина заложения

фундамента

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания здания или сооружения, среды, в которой сооружение возводится (трубы, тоннели и т.д.), или материала для

6

сооружения (насыпи, плотины и т.д.). Следовательно, горные породы (грунты) играют в строительстве ключевую роль. Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой. Составом называют перечень минералов, составляющих породу. Структурой называют размер, форму и количественное соотношение слагающих породу частиц. Текстурой

называют пространственное расположение элементов породы с различным составом и свойствами, определяющее ее строение. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте залегания и бывает массивной, слоистой и сетчатой.

По происхождению горные породы подразделяют на:

∙Магматические (изверженные), образовавшиеся в результате застывания магмы. Они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты. К ним относят интрузивные (глубинные) породы: граниты, диориты, габбро и др.; а также эффузивные (излившиеся) породы: базальты, порфиры и др.

∙Осадочные, образовавшиеся в результате разрушения и выветривания горных пород под действием воды и воздуха. Они образуют скальные и нескальные грунты. К ним относят сцементированные породы: песчаники, доломиты, алевролиты и др.; а также несцементированные породы: песчаные

иглинистые грунты, лессы, илы, торфы, почвы и др.

∙Метаморфические, образовавшиеся из осадочных, магматических или метаморфических пород под воздействием высоких температур, больших давлений, горячих растворов. К ним относят сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

Магматические горные породы (скальные грунты) образовались при остывании магмы, а также в результате горообразовательных процессов.

Вследствие физического и химического выветривания они постепенно превращались в рыхлые горные породы. Раздробленные частицы горных

откладывались (по пути измельчаясь), образуя осадочные породы. В некоторых случаях, при большом давлении и повышенной температуре, осадочные породы подвергались метаморфизму, так образовывались метаморфические (скальные) породы. Если в процессе горообразования они оказывались близко к поверхности земли, то под воздействием химического выветривания образовывали крупноскелетные и мелкодисперсные грунты. Верхний слой грунтов, измененный совместным действием климата, воды и газов, растительных и животных организмов и обогащенный гумусом, представляет особое структурное органоминеральное образование – почву.

К классу скальных грунтов относят магматические, метаморфические и сцементированные осадочные горные породы, обладающие жесткими связями между частицами и агрегатами. К классу нескальных (дисперсных) грунтов относят осадочные несцементированные горные породы, не имеющие жестких связей.

Все грунты также подразделяют на естественные (магматические, осадочные и метаморфические) и техногенные (уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные). Техногенные грунты, как и естественные, бывают скальные и нескальные.

Основанием зданий и сооружений называется массив грунта,

находящийся ниже подошвы их фундаментов и воспринимающий нагрузку от фундаментов и наземных конструкций.

В большинстве случаев верхние слои земной коры сложены крупнообломочными, песчаными, пылевато-глинистыми, органогенными и техногенными грунтами. Основная их масса относятся к нескальным.

Поэтому в дальнейшем будем называть их грунтами и особо отмечать скальные грунты.

8

По условиям формирования грунты разделяют на:

∙Континентальные отложения: элювиальные (залегающие в месте первоначального их возникновения); делювиальные (располагающиеся на склонах той же возвышенности, где они возникли, и перемещаемые только под действием силы тяжести и смыва атмосферными водами); аллювиальные (переносимые водными потоками на значительные расстояния и образующие мощные слоистые толщи); ледниковые (образовавшиеся в результате действия ледников) – валунные глины и суглинки (морены); водно- ледниковые – пески и галечники; озерно-ледниковые – ленточные глины, суглинки и супеси; эоловые (продукты физического выветривания горных пород пустынных областей, переносимые воздушными течениями) – лессовые и пески дюн и барханов.

∙Морские отложения: толщи дисперсных глин, органогенных грунтов- ракушечников и др.; органоминеральные образования – илы, заторфованные грунты и др.; различные пески и галечники.

1.2.Состав грунтов. Форма, размеры, взаимное расположение и свойства минеральных частиц. Органические примеси. Виды

воды в грунтах и их свойства. Роль газообразной составляющей

В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц (твердых тел), воды (жидкого тела) и воздуха или иного газа (газообразного тела), т.е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном (рис. 2). Соотношение этих компонентов обуславливает многие свойства грунтов. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунтовой массой. В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, растворенный в поровой воде, находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно

9

сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой. В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед (пластичное тело). Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.

Рис. 2. Состав грунта:

а – инертные минералы; б – растворимые минералы; в – коллоидно-активные минералы; г – органическое вещество; ☼ – биота

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует скелет (каркас) грунта. Поровая вода и газ располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами.

Инертные минералы не вступают во взаимодействие с водой и растворенными в ней веществами. Грунты, полностью сложенные инертными минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, большинство метаморфических и часть осадочных. Из осадочных