Учебное пособие. Механика грунтов

20

решений механики грунтов (теории сыпучих тел, фильтрационной теории консолидации, теории ползучести и др.).

По пределу прочности на одноосное сжатие образцов в водонасыщенном состоянии Rc (МПа), скальные грунты различают на: очень прочные, при Rc > 120; прочные, при 120 ≥ Rc > 50; средней прочности, при 50 ≥ Rc > 15; малопрочные, при 15 ≥ Rc ≥ 5; пониженной прочности, при 5 > Rc ≥ 3; низкой прочности, при 3 > Rc ≥ 1; весьма низкой прочности, при Rc < 1. Скальные грунты при Rc < 5 МПа называют полускальными. В наименовании скальных грунтов также учитывают выветрелость, растворимость и др.

К классификационным показателям дисперсных грунтов относят вещественный состав грунтов (зерновой и минералогический, влажность и газосодержание) и характеристики физического состояния (плотность сложения для песчаных и консистенцию для глинистых).

Для строительных целей используют упрощенную классификацию грунтов (табл. 1).

По водонасыщенности (степени влажности Sr) грунты различают на: маловлажные 0 < Sr ≤ 0,5; влажные 0,5 < Sr ≤ 0,8; насыщенные водой 0,8 < Sr

≤ 1.

21

По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты различают на: глыбовый (валунный), при содержании частиц крупнее 200 мм более 50 % по массе; щебенистый (галечниковый), при содержании частиц крупнее 10 мм более 50 % по массе; дресвяный (гравийный), при содержании частиц крупнее 2 мм более 50 % по массе. При наличии в заполнителе крупнообломочного грунта песчаных частиц более 40 % по массе, пылеватых или глинистых частиц более 30 % по массе, к наименованию крупнообломочного грунта добавляют наименование заполнителя. Таким образом, наименование крупнообломочного грунта может быть примерно таким: гравийный грунт с пылеватым заполнителем, влажный.

По гранулометрическому составу песчаные грунты различают на: гравелистые, при содержании частиц крупнее 2 мм более 25 % по массе; крупные, при содержании частиц крупнее 0,5 мм более 50 % по массе; средней крупности, при содержании частиц крупнее 0,25 мм более 50 % по массе; мелкие, при содержании частиц крупнее 0,1 мм 75 % по массе и более; пылеватые, при содержании частиц крупнее 0,1 мм менее 75 % по массе. По показателю неоднородности Cu песчаные грунты различают на однородные, при Cu ≤ 3 и неоднородные, при Cu > 3. По коэффициенту пористости е классификация песчаных грунтов приведена в табл. 2. Таким образом, наименование песчаного грунта может быть примерно таким: песок мелкий, рыхлый, маловлажный, неоднородный.

22

По числу текучести IL супеси могут иметь следующие состояния (консистенцию): твердые IL < 0; пластичные 0 ≤ IL ≤ 1; текучие IL > 1. По числу текучести IL глины и суглинки могут иметь следующие состояния (консистенцию): твердые IL < 0; полутвердые 0 ≤ IL ≤ 0,25; тугопластичные 0,25 < IL ≤ 0,5; мягкопластичные 0,5 < IL ≤ 0,75; текучепластичные 0,75 < IL ≤ 1; текучие IL > 1. Просадочность глинистых грунтов определяют путем сравнения значений расчетного и табличного (табл. 3) коэффициентов просадочности: грунт просадочный (лессовый), при ISS расч. < ISS табл; грунт непросадочный, при ISS расч. ≥ ISS табл. Если степень влажности глинистого грунта более 0,8 (Sr > 0,8), то такой грунт считают непросадочным. Если в массе глинистого грунта содержится 15-25 % крупнообломочных частиц, к наименованию грунта добавляется наименование этих частиц, например суглинок со щебнем. При их содержании 25-50 % по массе, название грунта меняется, например суглинок щебенистый. Таким образом, наименование глинистого грунта может быть примерно таким: супесь твердая, непросадочная. Иногда к характеристике глинистого грунта добавляется значение коэффициента пористости.

Прочность и деформируемость грунтов непосредственно связаны с их физическими свойствами и состоянием. Классификация грунтов позволяет не только определить вид данного грунта, но и установить ориентировочные значения его прочностных и деформационных характеристик. Нормативными документами, в частности СНиП 2.02.01-83* допускается для предварительных расчетов оснований, а также и для окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов, опор ЛЭП определять

нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных

23

характеристик грунтов по их физическим характеристикам (приложение А). Расчетное сопротивление грунтов R0 является важной характеристикой их несущей способности, ориентировочно оценивающей допускаемое давление на данный грунт под подошвой фундамента, имеющего ширину 1 м и глубину заложения 2 м.

2.3. Геологическое строение оснований. Понятие о геологическом теле

Обычно в основании располагается несколько типов грунтов. В таком случае, кроме оценки свойств каждого грунта, возникает не менее важная задача – схематизация геологического строения основания, т.е. выделение границ между ними. Данная задача более подробно рассматривается на курсе инженерной геологии. Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела (рис. 5).

Рис. 5. Формы геологических тел в грунтовом массиве:

1 – слой суглинка; 2 – слой песка, включающий линзу гравия 3; 4 – слой супеси, включающий песчаный прослой 5; 6 – известняк

Слоем называют внутренне однородное геологическое тело,

ограниченное в пределах рассматриваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей. Расстояние между подошвой и кровлей называют мощностью слоя. Линзой называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой поверхностью. Если геологическое тело входит с одной

24

стороны в геологический разрез и заканчивается в нем, то это называют выклиниванием слоя. Очень тонкое геологическое тело, ограниченное двумя непересекающимися поверхностями, называется прослоем. Жилой называют внутренне однородное геологическое тело, протяженное и пересекающее слои. Зоной называют область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.

При определении строения грунтовой толщи необходимо помнить, что строение грунтовой толщи определяется интерполяцией данных, полученных по отдельным вертикалям (скважины, данные геологической разведки), и от количества вертикалей, а также и расстояний между ними будет зависеть достоверность полученных данных.

2.4. Особые виды грунтов с неустойчивыми структурными связями

К структурно-неустойчивым грунтам относят грунты: лессовые, структура которых нарушается при замачивании под нагрузкой; мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании; рыхлые пески, резко уплотняющиеся при динамических воздействиях; илы и чувствительные глины, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры. Также к особым грунтам относят: набухающие грунты, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой; торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью; скальные и полускальные грунты, обладающие, как правило, высокой прочностью и малой деформативностью.

Лессовые грунты относят к категории макропористых грунтов, поры которых зачастую видны невооруженным глазом. При увлажнении лессового

грунта происходит размягчение и частичное растворение жестких кристаллизационных связей, развитие расклинивающего действия пленочной

26

Если при промерзании грунт испытывал пучение, то при его оттаивании неизбежна просадка. По этой причине многие вечномерзлые грунты при оттаивании получают просадку – резко уменьшаются в объеме. Компрессионная кривая мерзлого для грунта при оттаивании аналогична рис. 6. Участок b – c на рис. 6 будет соответствовать процессу оттаивания. В

мерзлых грунтах при наличии подземных вод могут образовываться поверхностные и грунтовые наледи (слои льда) и бугры пучения. Наледи и бугры пучения могут быть сезонными и многолетними. Многолетние бугры пучения достигают высоты 8-12 м и в основном проявляются на дорогах, аэродромах, застраиваемых территориях. В результате неравномерного

изменения объема грунта при промерзании и после промерзания может произойти криогенное (морозобойное) растрескивание грунтов с образованием характерной системы трещин, трещинных льдов и системы ледяных клиньев (при заполнении трещин водой), а также особых форм рельефа. Протяженность ледяных клиньев может достигать 40 м при их ширине до 6-8 м. При последующем вытаивании ледяных включений может образовываться термокарст (образование в толще мерзлых грунтов полостей, а также просадок, воронок, ложбин и др.). При многократном пучении и оттаивании грунтов, расположенных на склонах, может происходить их медленное течение (сползание) по склону, называемое солифлюкцией. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно сильнольдистые, при оттаивании могут переходить в разжиженное состояние.

Природная структура рыхлых песков легко нарушается при динамических воздействиях (вибрации или сотрясении). Уровень

необходимого воздействия обычно измеряется ускорением и зависит от плотности сложения песка. Ускорение, при котором песок начинает уплотняться, называется критическим. При динамическом воздействии больше критического происходит уплотнение песка, проявляющееся с нарушением его природной структуры, т.е. просадка. Компрессионная кривая

27

для рыхлого песка при вибрации аналогична рис. 6. Участок b – c на рис. 6 будет соответствовать процессу динамического воздействия.

Некоторые пылевато-глинистые грунты, в частности илы, резко меняют

свои прочностные и деформационные характеристики при нарушении их природной структуры даже без изменения влажности. Это свидетельствует о

значительном влиянии структурных связей на механические свойства грунтов. Поэтому, при разработке котлованов и возведении фундаментов в

таких грунтах применяют специальные мероприятия по сохранению природной структуры грунтов.

Многие пылевато-глинистые грунты могут менять свой объем с изменением влажности. Наиболее значительно меняется объем глин,

содержащих большое количество частиц глинистого минерала монтмориллонита. Зависимость объема образца пылевато-глинистого грунта от влажности обуславливается тем, что вода адсорбируется на поверхности глинистых частиц в виде гидратных оболочек. При близком расположении частиц друг к другу вода, стремясь к равновесному состоянию, раздвигает частицы до полного насыщения образца грунта водой. Кроме того, глинистые частицы, состоящие из монтмориллонита, кристаллы которого имеют пакетную структуру, способны впитывать в себя воду вследствие увеличения расстояний между пакетами молекул. Набухаемость грунтов

оценивают при помощи коэффициента набухания

ε = hsat − hn sw hn ,

где: hsat – высота образца грунта ненарушенной структуры под давлением, ожидаемым в основании сооружения, после замачивания; hn – то же, до замачивания.

Заторфованные грунты – очень пористые и влажные грунты. Объем пор, заполненных водой в 4-12 и более раз больше объема твердого вещества, поэтому заторфованные грунты обладают очень большой сжимаемостью.

28

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

3.1.Модели механического поведения грунтов. Методы решения задач механики грунтов

Основными моделями механического поведения грунтов является модель дискретной среды и модель сплошной среды. В модели дискретной среды

предпринимается попытка отобразить физические особенности грунта как совокупность отдельных частиц – шаров, дисков, балочек и т.д. Развитие

данного направления связано с большими сложностями и пока еще не привело к созданию законченной теории деформирования грунтов.

Современная механика грунтов основана на представлениях о грунтах как о сплошной однородной деформируемой среде. Однако представление о сплошности грунтов потребовало введения ряда упрощений.

Важным упрощением является понятие элементарного объема грунта – такого объема, линейный размер которого во много раз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих этот грунт. В данном случае понятия напряжений и деформаций относятся уже не к точке (как в механике сплошной среды), а к площадкам, соответствующим элементарному объему.

Другим важным упрощением реального строения грунта является его представление в виде изотропного тела, у которого свойства одинаковы по любому направлению, что дает точность, достаточную для инженерных целей.

Общим методом решения задач механики грунтов является решение краевых задач, то есть совместное решение уравнений равновесия,

геометрических соотношений или получаемых из них уравнений неразрывности и физических уравнений при заданных краевых (начальных и граничных) условиях. Мерой количественной оценки напряженно- деформированного состояния массива грунтов являются напряжения, деформации и перемещения, возникающие от действия внешних (нагрузки) и

29

внутренних (массовых) сил. Понятия о напряжениях, деформациях и перемещениях соответствуют понятиям механики сплошной среды.

3.2. Особенности деформирования грунтов. Линейные и нелинейные деформации. Упругие и пластичные деформации. Объемные и сдвиговые деформации. Ползучесть грунтов. Понятие о фильтрационной консолидации грунтов

Пусть на поверхности грунта установлен штамп (фундамент), передающий на грунт постепенно возрастающее давление р. Под действием этого давления будет происходить осадка штампа s, величина которой будет возрастать с увеличением р (рис. 8 а, б).

Рис. 8. Схема эксперимента (а) и графики зависимости осадки штампа от давления по подошве р при нагружении (б) и при нагружении – разгрузке (в):

1 – нагружение; 2 – разгрузка

На интервале давлений от 0 до р1 осадка будет близка к линейной (участок 0 – а). Дальнейшее увеличение давления вызывает увеличение осадки, которая становится нелинейной (участок а – б – в). При давлении р2 происходит резкое увеличение осадки, обусловленное исчерпанием несущей способности грунта. Таким образом, грунтам свойственна нелинейная деформируемость, однако на начальном интервале изменения напряжений деформируемость грунтов будет близка к линейной. Если в процессе нагружения штампа периодически производить его разгрузку (рис. 8 в), то можно заметить, что при любом значении р, даже в пределах линейной