Вопрос № 12. Явление суффозии грунта.

Атмосферные и поверхностные воды, проникая в грунт, имеющий относительно крупные поры, в которых может двигаться под действием силы тяжести, является главным источником водоносных горизонтов подземных вод. В случае возникновения в таком горизонте гидравлического градиента напора подземные воды перемещаются. Если они выходят через склон местности на поверхность земли, входят в крупные поры крупно скелетного грунта или трещины скальной породы, то при определенной скорости движения подземной воды вместе с ней могут перемещаться мелкие частицы грунта водоносного горизонта. Таким образом из водоносного горизонта или подстилающего его относительно водоупорного слоя постепенно вымываются пылеватые, мелкопесчаные, а иногда и глинистые частицы. Этот процесс называется суффозией грунта. Суффозия приводит к увеличению пористости грунта и даже к образованию относительно крупных полостей. Суффозия бывает механическая и химическая. Механическая суффозия может развиваться, если диаметр выносимых частиц примерно в 8 раз меньше размера грунта, через который эти мелкие частицы грунта выносятся. Химическая суффозия – растворение и вынос растворенного вещества.

С увеличением пористости грунта в результате механической суффозии ухудшаются его строительные свойства: увеличивается сжимаемость, уменьшается сопротивление сдвигу, в песках резко снижается динамическая устойчивость.

Вопрос № 13. Явление тиксотропии грунта.

Тиксотропия проявляется в разжижении при достаточно интенсивном встряхивании или премещении гелей, паст, суспензий и других систем с коагуляционной дисперсной структурой и их загущении (отвердении) после прекращения механического воздействия.

Тиксотропное восстановление структуры – механически обратный изотермический процесс,

который может быть воспроизведен многократно.

Тиксотропия проявляется в том, что под влиянием внешних динамических воздействий (вибрация, встряхивание) грунт переходит в текучее состояние с сопровождающимся разжижением грунта. После прекращения внешнего воздействия со временем грунт переходит в прежнее устойчивое состояние. Подобное явление объясняется переходом связной воды в свободную воду, что сопровождается нарушением внутренних связей. При этом водные оболочки в местах бывших контактов резко утолщаются, в результате чего структурные связи межу частицами нарушаются и коллоидная система быстро разжижается.

Переход грунта в тиксотропическое состояние происходит под влиянием динамических и вибрационных нагрузок и сопровождается резким снижением механической прочности грунта.

Известны случаи внезапного разжижения водонасыщенных песков в основании сооружений и в откосах подтопленных или затопленных водой. Разжижение песков обычно связано с воздействием на них различных сотрясений, но оно может возникать и под влиянием фильтрации, вызванной происшедшими изменениями в напорах грунтовой воды. Разжижение водонасыщенного песка представляет собой процесс разрушения структуры, разуплотнения и уменьшения прочности. Толчки и удары, вызванные землетрясением, взрывами, движением транспорта, могут оказаться причиной разжижения песка, при котором частицы теряют на какое-то время взаимную связь и неожиданно резко разрыхляются.

Тиксотропные явления в глинистых грунтах – способность грунтов под влиянием механического воздействия, например встряхивания, размешивания, вибрации разжижаться и переходить в золи или суспензии и затем, когда это воздействие устранено, восстанавливать прежнее гелеобразное состояние.

Явление тиксотропии чаще всего наблюдается в сыпучих, водонасыщенных грунтах при определенной частоте вибрации.

Способность грунта к тиксотропии используется в строительстве для забивки свай методом вибропогружения.

Вопрос № 14. Понятие о сжимаемости грунта.

Сжимаемость – свойство грунта изменять свое строение за счет уменьшения пористости под влиянием внешних воздействий (прикладываемой к грунту нагрузки, сил капиллярного натяжения при высыхании и т.п.). Уменьшение пористости грунта вызывают факторы: местные сдвиги и более компактная упаковка твердых частиц, изменение толщины водно-коллоидных оболочек (в том числе и при высыхании); ползучесть скелета грунта, вызванная искажением формы кристаллических решеток и вязкого течения прочно связной воды.

Сжимаемость под нагрузкой может быть двух видов: от воздействия постоянной нагрузки (уплотнения) и от действия динамической нагрузки (уплотняемость). При статической нагрузке уплотнение происходит, если структурные связи между частицами будут преодолены. При динамическом воздействии хорошо уплотняются маловлажные рыхлые песчаные грунты и неводонасыщенные грунты с жесткими контактами.

Сжимаемость грунта определяется экспериментальным путем. Основным прибором для лабораторного определения служит компрессионный прибор или одометр. По результатам испытания определяют модуль сжимаемости грунта: , где

и - коэффициенты пористости до начала испытания и после испытания образцов грунта; р – действующее давление.

По модулю сжимаемости грунты подразделяются на три категории:

- сильносжимаемый – m > 0,5 (МПа)^-1

- среднесжимаемый – 0,1>m > 0,5 (МПа)^-1

- малосжимаемый – m < 0,5 (МПа)^-1

Для грунтов полностью водонасыщенных изменение пористости возможно лишь при изменении их влажности.

Вопрос № 15. Показатели сжимаемости грунта.

Для прогноза деформации уплотнения грунтов воздействием приложенных к ним нагрузок помимо величин напряжений, вызывающих эту деформацию, необходимо располагать показателями сжимаемости грунта. Показатели, определяющие меру сжимаемости грунтов, называют компрессионными характеристиками.

Модуль сжимаемости (m) представляет собой характеристику, с помощью которой можно оценить категорию грунта по сжимаемости. По величине модуля сжимаемости грунты делятся на три категории:

- сильносжимаемый – m >0,5 (МПа)^-1

- среднесжимаемый – m =0,1 - 0,5 (МПа)^-1

- малосжимаемый – m <0,5 (МПа)^-1

Модуль сжимаемости можно определить из построения компрессионной кривой.

е

е₁

Модуль сжимаемости равен отношению е₂ изменения коэффициента пористости к

величине действующего давления.

α

р₁ р₂

При расчете осадок уплотнения грунта пользуются величиной модуля относительной сжимаемости: ;

Коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадке, приходящейся на единицу действующего давления.

Сжимаемость грунта можно выразить и через модуль общей деформации грунта .

является аналогом модуля упругости Е, определяемым в соответствии с основным законом теории упругости (закон Гука). , где - относительная деформация.

зависит от вида грунта и от нагрузки. , где , где

- коэффициент Пуассона, учитывающий боковое расширение грунта.

=0,27 – пески,

=0,30 – супеси,

=0,35 – суглинки,

=0,45 – глины.

отражает в отличие от Е упругую и необратимую (остаточную) часть общей деформации грунта.

= 10-50 Па (100-500 кг/см²) – для песчаных грунтов;

= 50-75 Па (500-750 кг/см²) – для глинистых грунтов.

Вопрос № 16. Определение сжимаемости грунта в полевых условиях.

Основные методы определения сжимаемости грунта в полевых условиях:

1. испытания пробной статистической нагрузкой. Проводится в шурфах или скважинах инвентарными жесткими штампами. На дно шурфа (скважины) ставят штамп, соединенный стойкой с нагрузочной платформой. Зная давление (Р) и измеряя осадку (S) строят опытную зависимость . В результате эксперимента получается график зависимости осадки штампа от давления, что позволяет определить модуль деформации грунта.

Недостаток этого метода – громоздкость эксперимента. Испытания в шурфах применяется в основном для крупнообломочных грунтов

2. Испытания шариковым штампом. С помощью шарика на грунт передается усилие и измеряется осадка. Этот метод удобен для определения прочностных чвойств грунта в зависимости от времени действия нагрузки.

3. Статическое зондирование. Заключается в медленном вдавливании в грунт домкратам стандартного зонда. Измеряют сопротивление погружению конуса зонда и строят график изменения этой величины по глубине.

4. Динамическое зондирование. Производится путем забивки зонда в виде металлического конуса в грунт из колонки штанг. При этом определяют показатель зондирования, равный числу ударов, нужных для забивки зонда на 10 см. Зная показатель зондирования, удельную энергию зондирования, зависящую от параметров установки, можно определить динамическое сопротивление грунта, что позволит судить о его плотности и определить модуль деформации.

Применение такого испытания целесообразно при изотропных грунтах, которые обладают одинаковой деформативностью в вертикальном и горизонтальном направлениях.

5. Одним из наиболее распространенных методов определения модуля деформации грунтов являются прессиометрические испытания. В скважину опускается цилиндр с эластичными стенками. В него подается газ или жидкость под давлением. По мере увеличения давления в цилиндре, оно предается на стенки скважины и уплотняется окружающий грунт.

Вопрос № 17. Сопротивление грунта сдвигу.

Под действием вертикальной сжимающей силы (Р) на грунт в любой точке массива грунта возникают также горизонтальные (сдвигающие) силы (Т). Под действием внешней нагрузки в отдельных точках (областях) грунта эффективные напряжения могут превзойти внутренние связи между частицами грунта, при этом возникнут скольжения (сдвиги) одних частиц или агрегатов их по другим и может нарушиться сплошность грунта, т.е. прочность грунта будет превзойдена.

Внутренним сопротивлением, препятствующим перемещению (сдвигу) частиц в идеально сыпучих телах (чистые пески) будет лишь трение, возникающее в точках контакта частиц. В связных же грунтах перемещению частиц будут сопротивляться внутренние структурные связи и вязкость вводно-коллоидных оболочек частиц. Пока эффективными напряжениями внутренние связи не преодолены, связный грунт будет вести себя как квазитвердое тело, обладающее лишь упругими силами сцепления. Под силами сцепления подразумевается сопротивление структурных связей всякому перемещению связываемых ими частиц независимо от величины внешнего давления.

Определение показателей сопротивления сдвигу грунтов имеет первостепенное значение для практики, так как они обуславливают точность инженерных расчетов по определению предельной нагрузки на грунт.

Определить сопротивление грунта сдвигу можно несколькими способами:

- прямого плоскостного среза;

- простого одноосного сжатия;

- трехосного сжатия на приборе стабилометре;

- вдавливания шарового штампа;

- лопастные испытания.

Вопрос № 18. Закон Кулона для сыпучих грунтов.

Сыпучие грунты – пески, крупнообломочные грунты, галечники. Определение сопротивления грунта сдвигу производят на сдвиговом односрезном приборе. После нагружения образца грунта некоторой сжимающей (вертикальной) нагрузкой прикладывают сдвигающую (горизонтальную) нагрузку, увеличивая ее до тех пор, пока не возникнет без дальнейшего увеличения сдвигающей нагрузки незатухающее, прогрессивно возрастающие деформации сдвига и произойдет срез (скольжение) одной части образца грунта по другой. При увеличении внешнего давления (в пределах от 0,1 до 0,3 МПа) сыпучие грунты незначительно изменяют свою плотность, и практически этими изменениями при испытании сыпучих грунтов на предельное сопротивление сдвигу можно пренебречь.

τ

3

2

1

δ ^φ

Как показывают результаты многочисленных испытаний, диаграммы продольных сопротивлений сдвигу для сыпучих грунтов может быть принята за прямую, наклоненную под углом φ к оси давлений.

tgφ – Закон Кулона для сыпучих грунтов. Так сопротивление сыпучих грцнтов сдвигу есть сопротивление их трению, угол φ носит название угла внутреннего трения, а величина tgφ=f – коэффициент внутреннего трения.

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

При загружении водонасыщенных грунтов вода отжимается очень быстро и нагрузка сразу передается на минеральные частицы грунта. В рыхлых грунтах часть давления передается на воду: ; . Тогда закон Кулона для рыхлых песчаных грунтов: .

Если вся нагрузка передается на воду, то грунт превращается в разжиженное состояниме: .

Вопрос № 19. Закон Кулона для связных грунтов.

В связных грунтах, кроме сил трения, (зависит от нормального давления), сдвигу противостоят силы, которые обусловлены сопротивлением внутренних связей.

В отличие от песчаных грунтов глинистый грунт меняет свою плотность при возрастании нагрузки, а это значит и свою структуру. В связи с этим глинистый грунт перед проведением испытания консолидируют в два этапа по методике компрессионных испытаний.

е Если загрузить образец грунта до нагрузки Р₂,

а затем разгрузить до Р₁=Р_стр, то в указанном

диапазоне плотность грунта практически не изменится.

Существует три метода проведения испытаний глинистых глинистых грунтов сопротивления сдвигу:

1. консолидированного дренированного сдвига. Этот

случай соответствует работе грунта в основании

Р₁ =Р_стр Р_{2 Р} сооружения после его стабилизации. На каждой ступени при вертикальном и горизонтальном загружении происходит загружение грунта до полной консолидации. В отличие от песчаного грунта глинистый грунт меняет свою пористость, плотность, а, следовательно, строение.

, где с – сцепление, φ – угол внутреннего

τ трения, tgφ – коэффициент внутреннего трения.

Предельное сопротивление сдвигу в связных грунтах

при завершенной консолидации есть функция 1-ой

степени от нормального давления.

Φ 2. Консолидированного не дренированного сдвига.

В этом случае вертикальная нагрузка выдерживается до полной стабилизации, а горизонтальная прикладывается

с очень быстро, что исключает отжатие воды при сдвиге.

σ_ск .

3. Метод неконсолидированного недренированного сдвига.

Испытания производят с водонасыщенным образцом грунтом без возможности отжатия воды. При таком загружении вертикальная нагрузка воспринимается поровой водой, уплотнение грунта отсутствует, поэтому сдвиговая нагрузка полностью воспринимается силами сцепления, т.е. структурными связями между частицами грунта: .

График «предельное сопротивление - нормальное

τ напряжение» представляет прямую параллельную оси .

Этот сдвиг имеет место в период строительства или сразу

После его завершения и представляет наибольшую опасность.

с

Вопрос № 20. Методы определения физических и прочностных характеристик грунтов.

Показатели физических свойств грунтов определяются либо на отобранных в натуре в массиве образцах грунтов, либо непосредственно путем испытания грунтов, находящихся в грунтовом массиве, то есть в полевых условиях. При испытаниях следует выполнять требования соответствующих ГОСТов, если они имеются, или ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования.

Минимально достаточным для последующего осреднения результатов в математической статистике принято считать 6 определений. Однако, чем большее количество результатов определений введено в формулу для статистического нахождения среднего значения, тем "точнее" оказывается результат. В обработку вводятся результаты одной статистической совокупности, характеризующей данный массив. Если прослеживается закономерность в изменении частных интересующих нас значений показателя от точки к точки в одном направлении, то тогда их нельзя обычным путем вводить в одну статистическую совокупность.

Показатели (характеристики) физических свойств грунтов определяются как нормативные.

Нормативными считаются средние значения показателей или характеристик, определяемые как среднеарифметические.

Виды испытаний прочностных характеристик грунтов:

1. Испытания на сдвиговом приборе – при прямом плоскостном срезе цилиндрического образца грунта выполняется в лабораторных условиях.

2. Испытания в приборе трехосного сжатия (стабилометре). Методика проведения испытаний с наибольшей полнотой отражает работу грунта в основании. При загружении грунта в приборе создается трехосное напряженное состояние с измерением каждого компонента напряжения. Конструкция прибора позволяет определить: нейтральное или поровое давление по манометру, продольную и поперечную деформацию образца, изменение объема образца по валюмометру.

Помимо прочностных характеристик на этом приборе можно определить деформационные характеристики (коэффициент Пуассона, модуль деформации).

3. Испытания при одноосном сжатии. Проводятся для тугопластичных и твердых глин, которые хорошо сохраняют форму после обработки образцов. Образцы изготавливают в форме цилиндра с соотношением размеров h=(1,5 – 2,0) d. Разрушение образцов будет происходить как у хрупких материалов по плоскости, где касательные напряжения достигают предельного сопротивления сдвигу. Угол наклона этой плоскости стремится к 45 градусов.

4. Лопастные испытания – проводятся в полевых условиях для грунтов, из которых трудно отбирать образцы без нарушения природного строения (торф, илы, глинистые водонасыщенные грунты). Для испытания откапывается небольшой шурф, в грунт вдавливается крестовина прибора и фиксируется крутящий момент, при котором происходит срез грунта лопастью по цилиндрической поверхности. Результаты испытаний используются для расчета ула внутреннего трения и сцепления.

5. Метод шарикового штампа. Применяется для определения сцепления для связных грунтов (глинистых) и вязких (льдистых, вечномерзлых). Испытания состоят во вдавливании в исследуемый грунт сферического штампа постоянной нагрузкой Р и измерении во времени осадки S. Расчетное сопротивление вычисляется по формуле:

, где В – диаметр штампа.

6. Испытания на сдвиг в шурфах. Применяются в основном для крупнообломочных грунтов, из которых невозможно отобрать для лабораторных испытаний. Эти испытания аналогичны испытаниям в сдвиговом приборе.

Вопрос № 21. Напряженное состояние грунтов.

Напряжения в грунте определяются с использование теории линейно-деформируемой среды, если между нагрузкой и деформацией имеется линейная зависимость или среднее давление не превышает расчетного сопротивления грунта: Р≤R.

Разработаны частные случаи определения напряженного состояния грунтов: от собственного веса грунта, полосовая нагрузка, от одиночной силы, от нескольких сосредоточенных сил.

Под воздействием сил тяжести собственного веса грунта вертикальное давление при однородном грунте по глубине (z) определяется по формуле:

При назначении удельного веса грунта (γ ) необходимо учитывать, что ниже горизонта подземных вод грунт находится во взвешенном состоянии.

, где , где - коэффициент поперечной деформации.

Полосовая нагрузка – это нагрузка бесконечной длины и шириной (b) с постоянной интенсивностью. Решение этой задачи получено Фламаном. Формулы для определения компонентов напряжения имеют вид: .

Коэффициенты представляют некоторые функции от координат. Их значения табулированы и приводятся в таблицах в зависимости от отношения координат к ширине

(z/b, y/b).

Для одиночной нагрузки в пространственном объеме имеется решение Буссинеска.

; , где K = f(y/z).

- радиальное напряжение.

Если к полупространству приложено несколько сосредоточенных сил, то напряжение в точке полупространства находится суммированием его составляющих, вызываемых действием каждой силы.

.

Любую сложную нагрузку можно разбить на отдельные участки и каждый участок заменить сосредоточенной силой. . Этот прием называется способом элементарного суммирования.

Вопрос № 22. Изобары для жестких и гибких фундаментов.

Изобары – это линии равных напряжений. К ним относятся изобары – лини равных , распоры – линии равных и сдвиги – линии равных τ.

0,9p

0,3p

0,2p

b b

р p

2b b b 2b b 2b

0,3p

0,2p

0,1p

0,5p

0000 b

1,5b

b

p

0,2p b 1,5b

b

2b

0.1р 0.1р

Анализ этих эпюр позволяет сделать выводы:

1. Грунт, расположенный внутри области, ограниченной изобарой 0,1Р практически обеспечивает восприятие внешней нагрузки. Эта область рассматривается как основание сооружения, т.е. можно считать, что основание ограничено глубиной до 6 b.

2. Напряженно-деформируемое состояние грунта имеет место за пределами прикладываемой нагрузки.

3. Области предельных состояний формируются под угловыми точками прикладываемой нагрузки, поскольку в этих точках касательные напряжения достигают предельных значений.

Изобары в грунте под абсолютно жесткие фундаменты.

Концентрация давления у краев жестких фундаментов сказывается на распределении напряжений в массиве грунта лишь на небольшую глубину от подошвы, и общая «луковица» лишь незначительно изменяется.

Общая осадка фундаментов мало зависит от их жесткости.

Р

0,6

0,55

0,50

0,4

0,2

0,1Р

Вопрос № 23. Распределение контактных давлений по подошве фундаментов.

Напряжения, возникающие по подошве фундамента, являются силами взаимодействия между сооружением и его основанием. С одной стороны их можно рассматривать как нагрузку, передающуюся от сооружения на основание, и тогда закон изменения этой нагрузки имеет существенное значение для расчета напряжений и деформаций в основании. С другой стороны их рассматривают как реактивные силы, представляющие собой воздействие основания на сооружение. В этом случае закон распределения реактивных сил имеет большое практическое значение при расчете фундаментов по прочности и деформациям. В связи с этим важно оценить, как жесткость фундамента сказывается на распределении контактных давлений и давлений в массиве грунта.

Если фундамент абсолютно жесткий, то все точки его площади подошвы будут иметь при центральной нагрузке одну и ту же вертикальную деформацию.

Характер эпюры контактных давлений для жестких круглого и полосового штампов будет иметь вид, приведенный на схеме.

Концентрация напряжений у краев штампа в целом мало

мало влияет на полную осадку, так как в массиве грунта

распространяется лишь на небольшую глубину от подош-

вы штампа. На схеме пунктиром показана эпюра с учетом

реальных свойств грунта (ползучесть скелета, изменение

Р_xy модуля деформации с глубиной.

При практических расчетах допускается пренебрегать

концентрацией напряжений у краев штампа и выполнять расчет на основе формул центрального и внецентренного сжатия. Вид эпюр контактных давлений при центральном и внецентренном загружении жесткого штампа:

N N

Y

P_min

P P_max

_{Действующие по подошве штампа давления определяются по формулам:}

^; _{±, где}

_{А, Iх – площади и момент инерции площади подошвы штампа.}

_{При определении эпюры контактного давления штампа необходимо учитывать его изгибную деформцию. В зависимости от жесткости распределительной конструкции контактное давление может иметь очертание от седлообразного до параболического.}

Для гибких фундаментных балок гибкость учитывается по формуле: , где

Е_о – модуль деформируемости грунта основания;

Е – модуль деформируемости балки;

h₁ и l – высота и полудлина балки.

_{l l}

_Г=5

_Г=0

_Г=1

_{Помимо гибкости на форму эпюры контактных давлений влияют глубина заложения штампа, величина внешней нагрузки, обуславливающей развитие пластических деформаций в грунте, а следовательно, и от прочностных свойств грунта.}

_{Вопрос № 24. Механические модели грунтов для определения деформации грунтов.}

_{Основная задача при определении деформаций грунтов заключается в расчетах напряженно-деформируемого состояния грунтов, оценка прочности и устойчивости. Для решения этой задачи возникает необходимость разработки такой модели грунта, которая учитывала бы основные особенности его деформирования. Для этой цели могут быть использованы:}

_{1.Модель дискретной среды. В этом случае делается попытка отобразить в расчетной модели физические особенности грунта как дискретного материала, представляя его в виде совокупности отдельных частиц. Но это направление не привело к созданию законченной теории деформирования грунта.}

_{2.Современная механик грунтов основывается на представлении о грунте как о сплошной однородной среде. Модель сплошной среды потребовала введения понятий, упрощающих реальное строение грунта. Во-первых, это элементарный объем грунта. В объеме грунта линейные размеры которого во много раз превышают размеры частиц. Во-вторых, применение механики сплошной среды для расчета деформаций в массиве грунта справедливо только тогда, когда размеры массива и площадок, через которые передается нагрузка, больше размеров элементарного объема грунта.}

_{Другое упрощение реального строения грунта – представление его в виде изотропного тела, у которого свойства образцов, вырезанных по любому направлению, одинаковы. Это условие применимо не ко всем грунтам.}

_{3.При проектировании ответственных сооружений используется модель двухком- понентного грунта. Модель грунтовой массы, когда все поры практически заполнены водой и содержание газа в грунте относительно невелико.}

_{4.Модель трехкомпонентного грунта – когда в грунте присутствуют твердые частицы, жидкость и газы. Здесь принимается во внимание различность деформирования каждого компонента, взаимодействие их между собой и изменение содержания каждого компонента в объеме грунта в процессе деформации.}

_{Вопрос № 25. Распределение напряжений от собственного веса грунта.}

На выделенный элемент действуют объемные

Силы Х=Y=0, Z=yz.

Исходным дифференциальным уравнениям и

граничным условиям удовлетворяют решения

где

Рассматривается линейно-деформируемое полупространство, которое находится под воздействием сил тяжести.

xx

_z

z _y

_х

Вертикальное давление , называется бытовым или природным. Для однородного по глубине грунта . При назначении удельного веса грунта необходимо учитывать, что ниже горизонта подземных вод грунт находится во взвешенном состоянии и удельный вес его находится по формуле:

Полученное выражение для определения позволяет построить эпюру этого давления для толщи грунта, состоящего из нескольких инженерно-геологических элементов.

. . . …. . . г.г.в .. .

:::::::::::::::::::::::::::::::::

. . ….. . . . . . . . . .

. .::::::::::::::::::::::::::::::::.

- «бытовое давление» (природное давление)

- учитывают взвешивающее действие воды (Закон Архимеда)

=

_{Вопрос № 26. Определение напряжений в грунте по методу угловых точек.}

Определение напряжений – по методу угловых точек

(в любой точке под нагрузкой и на любой глубине)

Достраиваем площадь так, чтобы точка М была в центре, тогда видно, что = , но , а не 2Z, т.к. в1=2в Разбив площадь таким образом, можно записать = Р – интенсивность давления

1 Данный способ находит применение при учете взаимного влияния фундаментов.

= Так мы сможем решить любую задачу по опред. – на любом расстоянии и на любой глубине.

_{Вопрос № 27. Понятие о критических нагрузках.}

Н

Давление Р от веса надземной части сооружения и собственного веса фундамента рассеивается в массиве грунта. Равнодействующую R раскладываем на две составляющие 

и ,  - сжимают частицы грунта друг к другу и разрушить их практически не могут (частицы грунта – кварц, полевой шпат и т.д.) _разруш 2000 кг/см² 200 Мпа – таких напряжений под фундаментом практически не возникает.

Значит разрушение грунта происходит от действия сил  . Под действиями данных сил частицы грунта смещаются относительно своих контактов, зерна попадают в поровое пространство, происходит процесс уплотнения грунта с возникновением в некоторых областях поверхностей скольжения. (_пр )

ачальная критическая нагрузка характеризует пределы применимости теории линейно-деформируемой среды. Если давление на грунт не превышает эту нагрузку, то ни в одной точке грунтового массива касательное напряжение не превосходит предельное. При превышении же этой нагрузки в грунте происходит формирование зон предельного состояния.

Р

R

R R

 R



τ

Критическая нагрузка это нагрузка, соответствующая началу возникновения в грунте зон сдвигов и окончанию фазы уплотнения, когда под краем нагрузки возникают между касательными и нормальными напряжениями соотношения, приводящие грунт (сначала у ребер подошвы фундамента) в предельное напряженное состояние. Эту нагрузку называют начальной критической нагрузкой. Она совершенно безопасна в основаниях сооружений, так как до ее достижения грунт всегда будет находиться в фазе уплотнения.

Начальная критическая нагрузка характеризует пределы применимости теории линейно-деформируемой среды.

Нагрузка, при которой под нагруженной поверхностью сформировываются сплошные области предельного равновесия, и грунт приходит в неустойчивое состояние и полностью исчерпывается его несущая способность, называется предельной критической нагрузкой на грунт в данных условиях загружения.

Вопрос № 28. Фазы напряженного состояния грунтов при возрастании нагрузки.

Р

Мы будем рассматривать жесткие штампы.

Интегральным выражением деформаций является осадка s. С увеличением нагрузки осадка будет развиваться в соответствии с кривой на диаграмме.

Участок ОА соответствует нагрузке, при которой возникающие в грунте под основной частью подошвы штампа напряжения не превышают структурную прочность . При таких напряжениях развиваются преимущественно упругие осадки. Вследствие неравномерности распределения давления по подошве жесткого штампа напряжения под его отдельными частями, особенно под краями, будут превышать

. Под основной частью штампа деформации

будут возрастать примерно пропорционально изменению нагрузки. Эту фазу напряженного состояния называют фазой упругих деформаций, хотя одновременно с ними развиваются в небольших зонах пластические деформации, а это приводит к тому, что в пределах и этой фазы между нагрузкой и осадкой нет строгой линейной зависимости.

ассмотрим воздействие нагрузки на поверхность грунта, обладающего структурной прочностью. Для передачи нагрузки на грунт используется какая-то распределительная конструкция, называемая штампом. Их подразделяют на жесткие и гибкие. Жесткие штампы отличаются тем, что их изгибная деформация из-за большой жесткости принимается равной нулю по сравнению с деформацией грунта.

N

S

О N

A 

B 

C 

S D

Когда давление под всей подошвой штампа превысит структурную прочность, в основании станут развиваться деформации уплотнения, которые в пределах сравнительно небольших напряжений, как показывают компрессионные испытания, можно принять линейно возрастающими, соответствующими участку АВ. При давлении, незначительно превышающим структурную прочность грунта, уплотнение развивается лишь в зоне, непосредственно примыкающей к подошве штампа.

По мере увеличения нагрузки грунт будет уплотняться во все большей зоне. Эту фазу напряженного состояния грунтов в основании называют фазой уплотнения и местных сдвигов.

При еще большем давлении зоны пластических деформаций будут развиваться в стороны от зон пластических деформаций. Участок ВС соответствует значительному развитию местных сдвигов. Это фаза развития интенсивных деформаций сдвигов и уплотнения.

Наконец, при возрастании нагрузки N на сравнительно неглубоко заложенный фундамент произойдет резкая осадка его с выпором грунта из основания в стороны и вверх. На кривой осадок появится практически вертикальная линия СD, соответствующая фазе выпора (потеря несущей способности основанием).

Вопрос № 29. Понятие о расчетном сопротивлении основания.

- формула Пузыревского – Герсеванова.

Здесь - коэффициенты, зависящие от , их значения табулированы и приведены в нормативных документах.

- удельные веса грунта ниже и выше подошвы.

Здесь - коэффициенты, зависящие от , их значения табулированы и приведены в нормативных документах.

- удельные веса грунта ниже и выше подошвы.

Cтруктура формулы показывает, какая часть от общей нагрузки зависит соответственно от ширины штампа, глубины его заложения и сцепления грунта. Начальную критическую нагрузку выражают через расчетное сопротивление R, которая считается важнейшей характеристикой грунта.

Здесь - коэффициенты условий работы и надежности грунта.

- коэффициент, зависящий от вида грунта;

- коэффициент, зависящий от жесткости конструктивной схемы здания;

к- коэффициент, зависящий от способа получения прочностных характеристик грунта: непосредственно испытаниями или из нормативных документов.

Вопрос № 30. Определение расчетного сопротивления грунта.

СНиПом допускается при проектирований оснований фундаментов для предварительных расчетов, а также для назначения характеристик грунта, входящих в расчеты оснований и фундаментов зданий и сооружений II-IY классов, принимать значения сцепления, углов внутреннего трения и модулей деформаций по таблицам. Пользуясь этими данными, по формулам вычисляют нормативное сопротивление грунта R^Н. В таблицах СНиП значения характеристик грунта даются нормативные и расчетные. Нормативные значения используются при расчетах деформаций оснований, расчетные – в расчетах оснований по устойчивости.

В СНиП 2.02.01-83 расчетное сопротивление грунта вычисляется по формуле (7):

, где

- коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 3 СНиП 2.02.01-83;

- коэффициент, зависящий от вида грунта;

- коэффициент, зависящий от жесткости конструктивной схемы здания;

к – коэффициент, принимаемый равным: к = 1, если прочностные характеристики грунта ( и с) определены непосредственными испытаниями, и к = 1,1, если они приняты по табл. 1-3 рекомендуемого приложения 1;

- коэффициенты, принимаемые по табл. 4 в зависимости от ;

b – ширина подошвы фундамента, м.;

-коэффициент, принимаемый равным: при b<10 м - = 1, при b > 10 м - =

(здесь = 8 м);

- осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, а при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды;

- то же, залегающих выше подошвы фундамента;

- глубина заложения фундаментов безподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала;

, где

- толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала;

- толщина конструкции пола подвала, м;

- расчетное значение удельного веса материала пола подвала;

- глубина подвала – расстояние от уровня планировки до пола подвала, м. (для сооружений с подвалом шириной м. и глубиной > 2 м. принимается м., при ширине подвала B>20 м. .

Расчетное сопротивление грунта допускается определять по этой формуле при любой форме фундаментов в плане. Если подошва фундаментов имеют форму круга или правильного многоугольника площадью А, принимается .

Вопрос № 31. Давление грунта на подпорные стенки.

Устойчивость откоса требуемой крутизны можно достичь с помощью подпорной стенки. Она устраивается тогда, когда устойчивость откоса не обеспечивается естественным способом. Подпорные стенки сооружаются в случаях, когда необходимо поддерживать массив грунта в равновесии. Подпорные стенки являются ограждающими конструкциями, назначение которых состоит в создании откосов требуемой крутизны. Примерами таких конструкций являются стены подвалов, шпунтовые ограждения в котлованах, стенки резервуаров и т.п.

Подпорные стенки можно разделить на три вида: гравитационные, облегченные и диафрагмовые.

При гравитационных подпорных стенах устойчивость на сдвиг обеспечивается их весом (весом материала стены и грунта, находящегося над подошвой стены), а горизонтальная составляющая давления земли воспринимается силой трения, развивающейся в плоскости подошвы стены. Облегченные гибкие стены заделываются в основание и их устойчивость на сдвиг обеспечивается развитием пассивного отпора в нижней части, а также возможным наличием анкерной заделки в верхней части стены.

1,2 - гравитационные; 3 - гибкая шпунтовая; 4 – диафрагмовая 1,2 – вероятные смещения стенки Вопрос № 32. Определение давления грунта на подпорные стенки. Давление сыпучего грунта на вертикальную подпорную стенку при отсутствии трения на задней грани. A Вырезаем в массиве грунта призму с главными площадками Условия предельного равновесия: Или , Р2 max- наибольшие горизонтальные напряжения - давление на стенку передается в виде ∆ эпюры Р2max - при Z=H; ЕА = площади эпюры Р2; ; пассивный отпор грунта Пример активного давления грунта на фундаментную стенку здания с подвалом Расчетная схема М - ? Влияние сплошной равномерно распределенной нагрузки. В1 Представим эту нагрузку как некоторый слой грунта давлением Р = 0h. h=P/0 Тогда эпюра будет строиться из верхней точки В1. Еа - ? (приложена в ц.т. трапеции) Подставляем значения Р21 и Р2 и получим: , где 0 удельный вес грунта Учет сцепления. ( Глинистый грунт обладает трением и сцеплением, стенка гладкая) Сцепление заменяем эквивалентным давлением РЕ- давлением связности (см. лекцию 4) Вертикальное РЕ – заменяем некоторым фиктивным слоем грунта h. Подставляя РЕ и производя вычисления получаем: Вопрос № 33. Виды деформаций грунтов. Деформации грунтовых оснований различают: абсолютная осадка отдельного фундамента; средняя осадка здания здания или сооружения, определяемая по абсолютным осадкам трех фундаментов или трех точек сплошного фундамента; перекос – разность осадок двух соседних опор, отнесенная к расстоянию между ними, характерный для нежестких сооружений: tgᵠ=(S1-S2)/l; крен – отношение разности осадок к длине грани сплошного фундамента: tgᵠ=(S1-S2)/l; относительный прогиб: f=(2S2-S1-S3)/2l, где S1 и S3 – осадки концов, рассматриваемого участка; S2 – наибольшая или наименьшая осадка на том же участке; l – расстояние между точками S1 и S3. Вопрос № 34. Расчет деформаций оснований. Главным положением при проектировании оснований, т.е. при выборе основных размеров подошвы фундамента, является ограничение предельных осадок и неравномерности осадок, приводящих к деформациям конструкций сооружений. Расчетная величина деформаций основания вычисляется от воздействия давления на грунт не более нормативного сопротивления грунта (Р≤R).Основания и фундаменты рассчитываются по 2 предельным состояниям 1. По несущей способности: N – заданная расчетная нагрузка на основание в наиболее невыгодной комбинации; Рпр – несущая способность (предельная нагрузка) основания для данного направления нагрузки N; с – коэффициент условия работы основания (<1); q – коэффициент надежности (>1). 2. По предельным деформациям: Sрас. – расчетная абсолютная осадка фундамента; расчетная относительная разность осадок фундаментов; предельные величины, соответственно абсолютной и относительной разности осадок фундаментов (СНиП 2.02.01-83*) Деформации грунтов. Виды и причины деформаций. Грунты обладают как упругими, так и остаточными свойствами. Для различных грунтов соотношения между упругими и остаточными деформациями различны. Пример компрессионных испытаний грунтов Физические причины упругих деформаций: упругость минеральных частиц грунта; упругость воды; упругость замкнутых пузырьков воздуха. Физические причины остаточных деформаций: уплотнение грунта; сдвиги частиц грунта; разрушение частиц в точках контакта. Вопрос № 35. Определение осадки фундамента. Расчет осадки является одним из важнейших вопросов проектирования сооружения. Траектория перемещения отдельных частиц грунтового массива предоставляется достаточно сложной. Чаще всего рассматривается вопрос об определении вертикальной составляющей - деформации. Эти деформации для сооружений могут вызываться причинами: Уплотнением грунтов при загружении внешней нагрузкой. Просадками при изменении структуры грунтов (замачивание лессовых грунтов, протаивание вечномерзлых грунтов и т. п.). Наличие выработок на подрабатываемой территории. Морозным пучением грунтов. Осадки уплотнения являются основными видами осадок, которые развиваются в процессе строительства и эксплуатации сооружений. Осадки, вызванные другими причинами, носят региональный характер, и в ряде случаев их можно исключить за счет применения конструктивных решений. Осадки уплотнения включают упругую и остаточную деформацию и характерны для первой стадии деформирования. Процесс деформирования грунтов под постоянной нагрузкой происходит не мгновенно, а в течение некоторого периода времени. Зависимость деформации от времени имеет затухающий характер и стремится к предельному значению Sk. Время затухания зависит от вида грунта. Для песчаных грунтов осадка обычно заканчивается в период строи-тельства. Для глинистых водонасыщенных грунтов (особенно текучепластичных) период деформирования может измеряться десятками лет. T Sk S При расчете осадок используются теории: линейнодеформируемой среды, теория, основанная на применении гипотезы Фусса-Винклера, фильтрационной консолидации, ползучести. Теорию линейнодеформируемой среды чаще всего применяют к минеральным грунтам и жестким конструкциям фундаментов. Теорию, основанную на гипотезе Фусса-Винклера, рекомендуют применять для слабых грунтов и гибких конструкций фундамента. Эти теории не учитывают фактора времени и позволяют рассчитать только конечную деформацию. Теория фильтрационной консолидации позволяет рассчитать для водонасыщенных глинистых грунтов осадку в любой момент времени. Теория ползучести позволяет учесть изменение во времени прочностных характеристик грунта. Основной теорией, применяемой для расчета осадок, является теория линейно-деформируемой среды. Существует более 20 методов расчета осадок. Основные два метода: метод послойного элементарного суммирования; метод эквивалентного слоя. Вопрос № 36. Понятие об эффективном и нейтральном давлении. При приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту перераспределение ее на компоненты грунта во времени будет неодинаковым. В начальный момент времени нагрузка воспринимается только водой, поскольку по сравнению с минеральным скелетом, она практичес ки несжимаема. Возникает дополнительный напор Н=Р/ и градиент напора и вода начинает отжиматься. В процессе отжатия воды нагрузка (Р) частично воспринимается водой (Р) и минеральным скелетом (Р): Р = Р+ Р. Рz – эффективное давление, давление в скелете грунта (уплотняет и упрочняет грунт). Рw – нейтральное давление, давление в поровой воде (создает напор в воде, вызывая ее фильтрацию). В любой момент времени в полностью водонасыщенной грунтовой массе имеет место соотношение: Р = Рz + Рw , где Р – полное давление Р При t = 0 Р = Рw При t = t1 Р = Рw+ Рz При t = Р = Рz – это теоретически, практически для того чтобы Рw0, требуется длительный период времени. Когда процесс отжатия воды закончится, вся нагрузка будет передаваться на минеральный скелет. Давление, воспринимаемое минеральным скелетом, называется эффективным. Процесс отжатия воды под нагрузкой называется фильтрационной консолидацией. При полном отжатии воды и передачи нагрузки на минеральный скелет грунта грунт называется консолидированным.

Вопрос № 37. Явление морозного пучения.

Морозное пучение – возможность увеличения объема грунта при промерзании и уменьшения его при оттаивании. Пучению подвержены пылевато-глинистые грунты, а также пылеватые и мелкие пески. Это явление лишь частично объясняется тем, что объем воды, содержащийся в грунте, увеличивается при ее замерзании. При замерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышало бы 3-4 %. В то же время опыты и наблюдения в натуре показывают, что объем грунта при его промерзании иногда увеличивается до 100 %. Рост объема грунта при его промерзании сопровождается резким увеличением влажности грунта с образованием в нем льда в виде линз. Пучение грунта развивается вследствие притока воды к фронту промерзания из нижележащих слоев.

+ + + + + + + + + 1- мерзлый грунт

+ + + + + + + +

+ + + + + + + + + 2 – буферная зона

3 – миграция воды

К зоне промерзания, называемой буферной зоной, подтягивается вода как со стороны талого, так и промерзшего грунта, так называемое явление миграции влаги.

Подтягивание воды снизу зависит от коэффициента фильтрации. Чем > коэффициент фильтрации, тем легче происходит доувлажнение грунта. Из-за этого пылеватый песок и супесь более пучинисты, чем суглинок и тем более глина.

Выделяют два вида движения воды к буферной зоне – капиллярное и пленочное. Капиллярное движение воды связано с действием гидродинамического температурного градиента и является преобладающим, если граница промерзания находится в зоне капиллярного поднятия. Если кайма капиллярного поднятия не достигает границы промерзания, то приток к ней воды обусловлен действием пленочного механизма.

В процессе промерзания грунта происходит увеличение объема, содержащейся в нем воды. Если объем воды превысит объем пор, то произойдет увеличение объема грунта с возникновением дополнительных внутренних усилий. Грунты, которые в условиях естественного промерзания способны увеличиваться в объеме, называются пучинистыми, а само это явление называется морозным пучением грунтов. К пучинистым грунтам относятся все виды глинистых грунтов, пески пылеватые, мелкие, а также крупнообломочные грунты, содержащие глинистый заполнитель. К непучинистым грунтам относятся пески средней крупности, крупные и гравелистые, не содержащие пылевато-глинистых фракций. Пучение сопровождается неравномерным поднятием поверхности слоя промерзшего грунта и его осадкой при оттаивании.

Вопрос № 38. Факторы, влияющие на морозное пучение грунтов.

На величину морозного пучения грунта влияют размеры частиц, влажность, плотность, степень охлаждения и давление, воспринимаемое грунтом.

Влияние размеров частиц на величину удельного миграционного влагонакопления Wмг характеризуется графиком:

При размере частиц 0,1 мм миграция воды к границе промерзания отсутствует. Наибольшему пучению подвержены грунты, содержащие частицы пылеватой фракции (0,05 – 0,005 мм) в количестве от 30 до 80 %.

Wмг

d

10 ^-3 10 ^-2 10 ^-1

Увеличение глинистых фракций (0,005 мм приводит к уменьшению миграционной влаги в грунте. Переход крупноскелетных грунтов в категорию морозоопасных определяется содержанием в них тонких частиц размерами  0,02 мм в количестве 1-3 %.

Влияние влажности на морозное пучение определяется двумя независимыми друг от друга условиями: W  Wпп, W  Wкр, здесь

W, Wпп, Wкр – влажности предзимняя, предела пучения и критическая. Wпп, Wкр – граничные условия, при превышении которых начинается пучение. Wпл – такое состояние грунта, когда все поры заполнены водой, но пучение отсутствует. Для ее расчета необходимо иметь характеристики: плотность твердых частиц, плотность грунта в сухом состоянии, влажность в предзимний период. Wкр – определяет начало движения воды к буферной зоне. Для ее вычисления используются характеристики: плотность твердых частиц, влажность на границе текучести, число пластичности.

Влияние плотности грунта на пучение зависит, к какой среде можно отнести грунт. Если грунт относится к трехфазной системе, то с повышением плотности интенсивность пучения возрастает, достигая максимума при наименьшей пористости.

При дальнейшем возрастании плотности грунта его уже можно отнести к двухфазной системе, при которой интенсивность пучения понижается.

f %



 Плотность, соответствующая максимальному пучению грунта, называется условной плотностью . Она связана с максимальной плотностью соотношением:  = (0,8 – 0,9) .

Влияние степени охлаждения проявляется в зависимости величины пучения от градиента температур в период промерзания.

grad t = (t_k – t_зам)/Z_h, здесь

t_k – температура прекращения пучения грунта;

tзам – температура начала замерзания свободной воды; Z_h – толщина буферной зоны.

Ориентировочно: t_k – (2,7-3,5)С; t_зам - (0,5-0,8)С

+ + + + + + + +

+ + + t + + + +

- -_ - _ - _ - _ - _ -_ -_ Z_h

t_зам

Критическое значение градиента, при котором приток воды к границе промерзания будет максимальным составляет 0,1 – 0,2 град/см.

Давление на грунт вызывает уменьшение притока воды к границе промерзания, а значит, и пучение. Уплотнение грунта до начала промерзания способствует уменьшению интенсивности пучения.

Вопрос № 39. Мероприятия, снижающие влияние сил морозного пучения.

Противопучинистые мероприятия:

• заложение фундаментов на глубину, превышающую глубину промерзания;

• замена пучинистого на непучинистый грунт при обратной засыпке фундаментов;

• устройство защиты сезонно промерзающего грунта вблизи фундамента от избыточного увлажнения;

• покрытие поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта консистентной смазкой, полимерной пленкой;

• засоление грунта веществами, не вызывающими коррозии бетона и арматуры;

• окраска фундаментных стен, соприкасающихся с грунтом, нефтебитумными составами;

• увеличение нагрузки на фундамент;

• утепление грунта в подвале;

• конструктивные мероприятия, уменьшающие чувствительность сооружений к деформациям оснований, в том числе и от сил морозного пучения: раздробление на отсеки здания в плане, устройство монолитных арматурных поясов по верху фундаментных подушек, по верху фундаментных блоков стен и в уровне перекрытий.

Вопрос № 40. Характер деформирования грунта под нагрузкой.

В грунтах наблюдаются следующие деформации:

1.Восстанавливающая (упругая) деформация:

• изменение объема за счет молекулярных сил упругости твердых частиц, тонких пленок воды и пузырьков защемленного воздуха в порах водонасыщенного грунта;

• искажение формы структурной решетки.

При снятии нагрузки мгновенно исчезают деформации твердых частиц, через некоторое время исчезают деформации водных частиц. В последнюю очередь исчезают деформации замкнутых пустот с воздухом, так как воздух легко сжимаем.

2.Остаточная деформация:

• уплотнение в результате необратимого отжатия воды и воздуха из пор грунта, а также вследствие необратимых перемещений зерен (твердых частиц грунта);

• набухание с расклинивающим эффектом в результате действия электромолекулярных сил;

• ползучесть в результате взаимных сдвигов частиц;

• разрушение кристаллической решетки грунта, излом частиц.

После снятия нагрузки деформации сохраняются без изменения и обеспечивают уплотнение грунта.

Исследованиями установлено, что характер деформирования грунта зависит от вида грунта, величины прикладываемой нагрузки и от соотношения ширины штампа (b) к глубине заложения (d).

водная пленка

твердая частица

Вопрос № 41. Гранулометрический состав грунта.

Состав в грунте твердых фракций различного размера в % к массе абсолютно сухого грунта называется гранулометрическим составом.

Гранулометрический состав песчаных грунтов определяется сетевым методом. Фракции < 0,1 мм определяют пипеточным или армометрическим методом.

Методы выражения гранулометрического состава:

• в виде таблицы,

• в виде равностороннего треугольника Ферре. Расположение точек в треугольник дат наглядно представление о составе грунта;

• в виде интегральной кривой.

100%

80

60

10

Lgd, мм

0,001 0,01 0,1 1,0

N=d60/d10 – коэффициент неоднородности грунта. Если N > 3, то грунт неоднородный.

Вопрос № 42. Явление электроосмоса.

Фильтрация воды под влиянием разности потенциалов постоянного электри-ческого тока носит название электроосмоса и используется в строительстве для временного водопонижения в глинистых грунтах.

водосборник

насос

+ -

труба-катод

Между электродами создается электрическое поле, которое гонит воду даже из тончайших пор глины в трубчатые водозаборы.

труба-анод

Вопрос № 43. Механика грунтов, ее содержание и место.

В разделе "Механика грунтов" рассматриваются физико-механические свойства грунтов, методы расчета прочности и деформаций оснований, а также способы определения давления грунта на ограждения. В разделе "Фундаменты" изучаются вопросы совместной работы фундаментов и оснований, конструкции фундаментов, методика их проектирования и расчета, а также способы их возведения.

Механика грунтов научная дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформируемое состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против оползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями.

Механика грунтов является одним из разделов курса строительной механики, в основу которой положены как законы теоретической механики (механики твердых - абсолютно несжимаемых тел), так и закономерности деформируемых тел (законы упругости, пластичности, ползучести), опирается на результаты инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики, гидромеханики, а также на результаты других инженерных дисциплин.

В отличие от теоретической механики механика грунтов - это наука, изучающая закономерности и свойства природных дисперсных (мелко раздробленных) тел в их неразрывной связи с условиями их формирования и взаимодействия с окружающей физико-геологической средой.

Механика грунтов - часть общей геомеханики, в которую как составные части входят глобальная и региональная геодинамика, механика массивных горных пород, илов, торфов и пр.

Механика грунтов на сегодня – экспериментальная наука. Большая часть задач и их решений перенесена на грунт из других областей, сред, материалов). Но грунт как среда (материал) существенно неоднороден, сложнее по составу компонентов, чем металлы, бетоны, полимеры и др. Физико-механические характеристики грунтов отличаются многообразием, широтой диапазонов параметров и др.

Механика грунтов использует для расчетов данные, получаемые инженерно-геологическими способами, путем схематизации этих данных применительно к возможностям различных расчетных схем.

Анализируя специфику работы грунта в основании сооружения, инженерная геология, в свою очередь, должна создать предпосылки для построения расчетной модели с учетом особенностей грунта и действующих напряжений.

Задачи, которые решаются в механике грунтов:

- установление физических и механических свойств грунтов и возможности их использования в нужных целях, а в случае необходимости, улучшение строительных свойств грунтов;

- определение напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов, возможного его изменения в последующем;

- определение общей устойчивости этих массивов, взаимодействующих с инженерными сооружениями, или непосредственно устойчивости их самих, если они являются сооружениями.

Вопрос № 44. Физическая модель грунта.

Современное понятие о грунте можно представить в виде модели:

Грунт представляется в виде дисперсных микротел. Основными компонентами этой модели являются минеральные зерна (1) и заполняющие поры (2), жидкость и газ (воздух, водяной пар).

Некоторые грунты содержат еще органические соединения, лед.

1

2

Природные грунты представляют собой сложную многокомпонентную систему, состоящую, в основном, из трех компонентов:

• твердые частицы, т.е. твердая фаза – это минеральные зерна, они образуют каркас грунта;

• жидкая фаза в виде водных растворов, может находиться в различных состояниях;

• газообразная фаза в виде газов, паров, может находиться как в замкнутом, так и в открытом пространстве.

Вопрос № 45. Структурные связи в грунтах.

Внутренние связи, которые существуют между определенными частицами грунта, называются структурными связями. Структурные связи определяют собой прочностные характеристики грунтов. Энергия структурных связей может быть различной и иметь различную природу. В основе структурных связей в дисперсных грунтах лежат молекулярные силы, связи электромолекулярных полей.

Структурные связи возникают при осаждении частиц в грунте или в процессе формирования грунта. По времени возникновения структурные связи разделяются:

• первичные (кристаллизационные) у скальных и изверженных пород;

• вторичные (старение коллоидов или процессы перекристаллизации).

По своей природ е структурные связи делятся:

• коагуляционные характерны для глинистых грунтов, дисперсных пород, насыщенных водой, у которых водно-коллоидные связи образуются в результате электромагнитных сил взаимодействия между минеральными частицами и пленками воды;

• конденсационные возникают в осадочных горных породах;

• кристаллизационные образуются в результате взаимодействия химических сил и образуют с минеральными частицами прочные кристаллические соединения.

Вопрос № 46. Характеристика компонентов грунта.

Свойства компонентов грунта, их количественное соотношение, взаимодействие между ними определяют природу грунта.

Твердые частицы – минеральные зерна различные по составу, образуют каркас в грунте. С уменьшением размеров частиц число центров взаимодействия увеличивается.

Коллоидные частицы – глинистые частицы (0,001 мм) обладают огромной суммарной поверхностью и избыточной поверхностной энергией :

1). увеличивают количество связной воды,

2). Формируют специальные связи в грунте,

3). Увеличение поглотительной способности грунта из окружающей тсреды ионов молекул и других коллоидных частиц – адсорбция.

Вода в грунте может находиться в различных состояниях. Чем более дисперсным является грунт, тем влияние воды на грунт больше.

Размеры частиц, составляющих грунт, определяют строительные свойства грунта.

По размерам частиц и структуре связей грунты подразделяются:

• крупнообломочные (более 2 мм более 50%);

• песчаный грунт (от 2 до 0,05 мм);

• пылеватые (от 0,05 до 0,005 мм);

• глинистые (менее 0,005 мм).

Вопрос № 47. Расчет осадок по методу эквивалентного слоя.

P=0,2 МПа

P=0,2 МПа

h _p1

h _p2

Линии равных вертикальных давлений

При большей площади загрузки глубина распределения давлений и объем грунта, подвергающийся деформации будут больше. Следовательно и осадки будут больше.

Нельзя ли определить осадку по формуле - осадка при сплошной нагрузке.

Таким образом необходимо определить точную толщину слоя h_экв–которая отвечала бы осадке фундамента, имеющего заданные размеры.

Эквивалентным слоем грунта называется слой, осадка которого при сплошной нагрузке в точности равна осадке фундамента на мощном массиве грунта (полупространстве).

Sполупространст.

р

h

S₀ = S_n

- формула Шлейхера – Буссенеска.

Из определения Тогда:

;

- подставляем в исходную формулу:

; ;

h_э=Aωb

S=h_эm_vp

Вопрос № 48. Начальная критическая нагрузка.

Начальная критическая нагрузка характеризует пределы применимости теории линейно-деформируемой среды. Если давление на грунт не превышает эту нагрузку, то ни в одной точке грунтового массива касательное напряжение не превосходит предельное. При превышении же этой нагрузки в грунте происходит формирование зон предельного состояния.

Впервые задача об определении начальной критической нагрузки была решена Н.П. Пузыревским в 1929 г. Независимо от него подобное решение позже получил Н.М. Герсеванов.

Здесь - коэффициенты, зависящие от , их значения табулированы и приведены в нормативных документах.

- удельные веса грунта ниже и выше подошвы.

Структура формулы показывает, какая часть от общей нагрузки зависит соответственно от ширины штампа, глубины его заложения и сцепления грунта.

Вопрос № 49. Условия предельного состояния грунтов.

Теория предельного состояния описывает поведение грунта под нагрузкой в третьей стадии деформирования (выпора). По этой теории рассматриваются вопросы, связанные с устойчивостью откосных сооружений, давлением на ограждающие конструкции, предельными нагрузками на грунт.

Предельное напряженное состояние грунта соответствует такому напряженному состоянию, когда малейшее добавочное воздействие нарушает существующее равновесие и приводит грунт в неустойчивое состояние: в массиве грунта возникают поверхности скольжения, разрывы, просадки и нарушается прочность между его частями и их агрегатами.

Для грунтового массива, загруженного внешней нагрузкой (плоская задача) известны компоненты напряжений , , τ в произвольной точке и характеристики грунта: угол внутреннего трения и сцепление. Грунт может перейти в предельное состояние при определенном соотношении между известными характеристиками грунта.

Из образца грунта, подверженного трехосному сжатию вырежем трехгранную призму, в которой по двум взаимно перпендикулярным площадкам действуют главные напряжения и, а к площадке, отклоненной на угол α от главной площадки, по которой действует наибольшее главное напряжение, приложена равнодействующая R под углом Ɵ к нормали. Значение угла Ɵ при изменении угла α от 0 до 90٥ сначала возрастает от нуля до некоторого , а затем убывает до нуля.

Ɵ R

Из сопротивления материалов известно, что значение может быть найдено из выражения: .

Для сыпучих грунтов во всех случаях не может быть больше угла внутреннего трения ᵠ. Следовательно, условием предельного равновесия сыпучих грунтов будет: , или .

Для связных грунтов давление связности рассматривается как сила всестороннего сжатия, равная . Прибавляя к и по , получим условие предельного равновесия связных грунтов: или

.

Вопрос № 50. Предельные круги Мора.

На кругах Мора можно установить, при каких значениях главных напряжений и их соотношениях между собой произойдет переход грунта в предельное состо-яние. Круги Мора рассматриваются в курсе «Сопротивление материалов». Исходными данными для построения кругов Мора служат компоненты главных напряжений и .

С помощью этих кругов можно найти компоненты главных напряжений, действующих по произволь-ной площадке, положение которой определяется углом α.

Круг Мора строится по радиусу, равным полураз-ности главных напряжений.

n

α

τ

Ɵ

σ

Если компоненты напряжений в точке увеличивать по абсолютной величине, не меняя их соотношение, то радиус кругов Мора будет также возрастать. Круг Мора, при котором грунт переходит в предельное состояние, называется предельным кругом Мора. Очевидно, что предельный круг Мора и зависимость Кулона должны иметь общую точку. Значит, зависимость Кулона должна быть касательной к предельным кругам Мора.

Из построения круга Мора следует, что угол Ɵ есть отклонение полного напряжения от нормали к площадке. Очевидно, что максимально возможное отклонение этого угла равно углу внутреннего трения. Тогда первое условие перехода грунта в предельное состояние принимает вид: Ɵ=ᵠ.

Вопрос № 51. Теория по гипотезе Фусса –Винклера.

Основные предпосылки , положенные в основу данной теории:

1. осадка основания имеет место только в точках приложения давления, т.е. только под штампом. Величина давления пропорциональна вертикальной деформации, т.е. , где - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом жесткости основания (коэффициентом постели). Коэффициент жесткости принимается по таблице в зависимости от вида грунта от 1-5 Н/- для рыхлых грунтов и глин текучей и текучепластичной консистенции до 15000 Н/ - для скальных грунтов.

2. Для изгибаемой распределительной конструкции (штампа) применима гипотеза плоских сечений и дифференциальное уравнение упругой оси этой конструкции принимается для балки: ,

для плиты: , где

- цилиндрическая жесткость плиты.

Это допущение обосновано для гибких штампов (балки), для которых соотношение размеров составляет .

3. По подошве штампа отсутствует отрыв. Фактически отрыв грунта от подошвы штампа в отдельных случаях может иметь место, однако этот отрыв возникает в значительном удалении РТ приложения нагрузки и мало влияет на величину расчетных усилий.

В инженерной практике эту теорию применяют достаточно широко. Ее целесообразно применять в тех случаях, когда свойства грунта основания приближаются к свойствам воды, т. е. при малой связности грунта. Ее рекомендуют использовать при небольших размерах и заглублении сооружений, а также при большой интенсивности нагрузки, передаваемой от сооружения на его основание.

Вопрос № 52. Решение Фламана.

Вопрос № 53. Основы теории фильтрационной консолидации.

Для глинистых водонасыщенных грунтов деформирование под постоянной нагрузкой, причем в начальный период времени скорость деформирования будет наибольшей. Если скорость деформирования достигает предельных значений, то окажется невозможной безаварийная эксплуатация сооружений. При меньших скоростях деформирования сооружение приспосабливается к этим скоростям за счет ползучести материала конструкций и стыковых элементов. Практика показывает, что если эксплуатация сооружения в первые два года оказалась успешной, то и в дальнейшем сооружение будет устойчивым.

Теория фильтрационной консолидации разработана для определения скорости развития осадки в водонасыщенных глинистых грунтах. В основу этой теории положены допущения:

1. фильтрация воды в грунте подчиняется закону Дарси:

2. начальная нагрузка, прикладываемая к грунту, воспринимается водой (создает нейтральное давление);

3. эффективное давление вызывает линейную деформацию минерального скелета.

При этом предполагается, что отжатие воды возможно только в одном направлении. В первый момент времени после загружения нагрузка воспринимается только водой, но постепенно с ее отжатием возрастающая нагрузка передается на минеральный скелет. При полном отжатии воды нагрузка воспринимается только минеральным скелетом.

Эта терия позволяет рассчитать осадку слоя грунта за любой отрезок времени.

; S- cтабилизированная осадка, определяемая для условий компресион-ной задачи: ; u – cтепень консолидации грунта: .

Вопрос № 54. Решение Буссинеска.

Задача о приложении к полупространству сосредоточенной нагрузки была решена Буссинеском в 1885 г.

Р

R

Х

У

β

х

M

Z

При выводе используется цилиндрическая система координат. С использованием параметров этой системы (радиуса R и угла β) расчетные формулы принимают вид: , , где -коэффициент линейно деформируемой среды, w –деформация грунта.

Раскладывая напряжение на составляющие по направлениям осей X, Y, Z,

Получают расчетную формулу для в виде: , где .

Вопрос № 55. Особые физические свойства грунтов.

В некоторых случаях определяют такие свойства: размокаемость, липкость, набухание, усадка, теплофизические характеристики.

Размокаемость – свойство, характеризующее водоустойчивость глинистых грунтов в водной среде. Под размокаемостью понимают способность грунта при впитывании воды терять связность и превращаться в рыхлую массу, переходя из твердого, полутвердого или пластичного состояния в текучее.

Липкость – свойство грунтов прилипать к поверхности различных предметов в зависимости от содержания воды в грунте. Величина липкости измеряется усилием при отрывании прилипшего предмета от грунта и измеряется в Па. Силы адгезии (прилипания) имеет место на поверхности соприкосновения штампа с грунтом (минеральными частицами и молекулами связной воды). Наибольшей липкостью обладают грунты, содержащие гумус и солонцеватые глинистые почвы с поглощенным натрием. Помимо глинистого грунта липкость проявляют и пылеватые пески.

Набухание и усадка грунтов. Способность грунтов увеличивать объем при смачивании жидкостью – набухание, уменьшать при высыхании – усадка. Эти явления связаны с увеличением (уменьшением) пленок связной воды, они проявляются тем сильнее, чем больше раздробленность грунта и содержание коллоидной фракции. По величине набухания косвенно оценивается содержание глинистых частиц в грунте. Процесс набухания сопровождается потерей прочности и связности грунта и наоборот, прочность при усадке возрастает. Усадка грунта происходит до определенного предела, в дальнейшем уменьшение влажности не вызывает усадки. Усадка приводит к изменению структурных связей между частицами. Она сопровождается образованием трещин, что приводит к повышению водопроницаемости грунта и сопровождается уменьшением его устойчивости.

Теплофизические характеристики грунтов. К ним относят теплоемкость, коэффициент теплопроводности и коэффициент температуропроводности. Эти свойства относя к исходным данным при проектировании сооружений на промерзающих и вечномерзлых грунтах, для определения воднотеплового режима дорожных насыпей.

Теплоемкость –количество тепла, сообщаемое единице веса (объема) при изменении температуры на один градус, и измеряемое в джоуль на кельвин (Дж/К). Различают весовую (удельную) и объемную теплоемкость, в зависимости от того, что берется за единицу исследуемого грунта.

Коэффициент теплопроводности – количество тепла, переносимого в единицу времени через единицу площади при температурном градиенте, равном единицы, измеряется в ватт на квадратный метр-кельвин . Теплопровод-ность грунтов резко возрастает с увеличением влажности.

Коэффициент температуропроводности характеризует изменение температуры 1 см³ грунта, вызванное поступлением тепла, протекающего за 1сек. через 1см² поперечного сечения при разности температур равной 1градус на рас-стояние 1 м.

Вопрос № 56. Особые виды грунтов.

К ним относятся грунты, которые отличаются от трехкомпонентных систем, как, например, ил, заторфованный грунт, мерзлые грунты, искусственные грунты.

Илы представляют собой глинистые грунты, находящиеся в первоначальной стадии формирования. Обычно ил образуется в водной среде (морской, речной, озерной). Основными компонентами илов являются зерна тонкодисперсных фракций, органические вещества и вода. Органические вещества формируются из животных и растительных остатков. Илы имеют большую влажность, чем на границе текучести. В зависимости от коэффициента пористости принимают название ила: супесчаный, если е ≥ 0,9, суглинистый, если е ≥ 1,0, глинистый, если

е ≥ 1,5.

Заторфованные грунты в зависимости от степени заторфованности подразделяются на:

• слабозатофованные

• среднезаторфованные

• сильнозаторфованные

• торф .

Растительные остатки резко ухудшают строительные свойства грунтов. Они обладают большой водоудерживающей способностью, сжимаемостью и малой несущей способностью.

К мерзлым относятся грунты, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед. Если грунт имеет отрицательную температуру, но не сцементирован льдом вследствие малой влажности, такой грунт называется сыпучемерзлым. Грунт, находящийся в мерзлом состоянии непрерывно в течение многих (трех и более) лет, называется вечномерзлым.

В зависимости от температурного режима мерзлые грунты подразделяются:

• твердомерзлые (низкотемпературные) практически несжимаемые;

• пластичномерзлые (высокотемпературные) обладают вязкими свойствами и сжимаемостью.

К пластичномерзлым грунтам относятся грунты, имеющие температуру выше: для пылеватых песков минус 0,3˚С, для супеси минус 0,6˚С, суглинков минус 1,0˚С, для глин минус 1,5˚С и глин монтмориллонитового состава минус 5,0˚С.

Искусственные грунты по условию образования подразделяются на уплотненные в природном залегании, насыпные и намывные, включая отходы производства. При проектировании сооружений на искусственных грунтах требуются данные о способе и времени формирования искусственных грунтов.