3.3. Закон опору зрушенню для різних грунтів, характерні

залежності. Кут внутрішнього тертя і кут

природного укосу, тертя і зчеплення

Зрушення - процес зміни розташування частинок грунту під дією зовнішніх сил.

Грунти в основі будівлі, а також при неоднакових відмітках їх поверхні

відчувають вплив не тільки нормальних, а й дотичних напруг. Коли дотична напруги з якої-небудь поверхні в грунті досягаює його граничного опору, відбувається зсув однієї частини масиву грунту по іншій.

Неможливо визначити характеристики грунту в досвіді на компресійне стиснення. З цієї причини використовують схеми випробувань, у яких навантаження супро-

ждается розвитком зсувних напруг і деформацій.

Опір грунту зрушенню (граничне) може бути встановлено випробуванням його

зразків на прямий зрушення (зріз) шляхом тривісного стиснення, вдавленням штампа з кульової

або конусоподібної поверхнею, за результатами зрізу грунту крильчаткою по циліндри-

чній поверхні та іншими способами.

Якщо поняття міцності зв'язкового грунту не виходить за рамки традиційних представ-

лення про міцність будівельних матеріалів, то поняття міцності незв'язних (сипучих)

грунтів вимагає додаткових пояснень.

Механізм міцності незв'язних грунтів полягає в наступному. Під дією

стискаючих напружень у грунті, у тому числі викликаних його власною вагою, на кон-

тактних поверхнях мінеральних частинок виникають сили тертя, що перешкоджають взаємне

переміщенням частинок. Крім цього, між мінеральними частинками, що перетинають

умовну площину, є зони зачеплення (взаємного проникнення), що створюють на-

гельний ефект.

Таким чином, при зсуві грунту за фіксованою площині виникає реакція,

рівна сумі сил тертя по контактних поверхонь мінеральних частинок. Після подолання

сил тертя відбувається зсув грунту за фіксованою площині. При наявності заце-

полоненими між частинками зрушення супроводжується переупаковка мінеральних часток скелета

грунту (рис. 3.6). Перепакування скелета викликає спочатку до ущільнення грунту (дилатація),

а при подальшому зсуві - розущільнення грунту (контракція). У граничному стані

зсув грунту за фіксованою площині відбувається без збільшення зсуву навантаження.

Таким чином, міцність незв'язною грунту визначається рівнем діючих в

ньому стискаючих напруг. Цілком очевидно, що такий грунт не має міцності

при одноосьовому напруженому стані, однак може мати досить високу єм-

ністю при інших видах напруженого стану, які виникають в грунтовому масиві

при передачі на нього навантажень від фундаментів.

Зрушення можна визначити в лабораторії дослідним шляхом з використанням сдвигового

приладу для грунтів непорушеною структури (рис. 3.7).

Докладаємо Р1, потім прикладаємо ступенями зсуваючи навантаження (Т), відбувалося

зрушення (руйнування зразка) при τ1. Беремо другий зразок з Р2 і отримуємо τ2.

Якщо ми проведемо кілька таких дослідів при різному вертикальному напрузі σ = N / А, де А - площа зразка в площині зрізу, то отримаємо, що чим більше σ, тим більше

граничний опір грунту зрушенню τ.

Після проведення випробувань грунтів отримані залежності підпорядковуються універ-

сальному закону зсуву.

Граничний опір грунтів зсуву є функція першого ступеня нормальної напруги.

де τ - опір зрушенню; σ - нормальна напруга (тиск); φ - кут внутрішнього

тертя грунту, визначає міцність грунту (для сипучих грунтів практично збігається з

кутом природного укосу); tgφ - коефіцієнт внутрішнього тертя; c - зчеплення грунту

(характерно для глинистих грунтів).

За результатами випробувань можна побудувати характерні графіки опору зрушення для різних грунтів.

1. сипучі грунти

τ = σ · tgφ + c, для сипучих грунтів практино відсутнє зчеплення, c = 0, отже, формула універсального законузсуву прийме вид τ = σ · tgφ.

2. Для звичайних глинистих грунтів τ = σ · tgφ + c, є і зчеплення, і внутрішнє тертя в грунті; формула відповідає універсальному закону зсуву.

3. Глина, насичена водою τ = σ · tgφ + c, для глини, насиченою водою, кут внутрішнього тертя прагне

до нуля φ → 0 tg0 = 0, отже, формула універсального закону зсуву прийме

вид τ = c.

Для визначення опору грунту зрушенню зараз існує досить багато при-

борів:

• однозрізані зсувні прилади;

• 2-зрізні зсувні прилади;

• прилади 3-вісного стиснення (Стабілометр);

• зондування;

• штучне обвалення укосів;

• лопатеві випробування (крильчатка);

• метод кулькового штампа.

Рівняння (3.6) вказує на лінійну залежність між дотичними і нормаль-

ними напругами при зсуві в грунті. В даний час доведено, що природа сил

супротиву грунту зрушенню має складний характер, а тому просте їх поділ на тртя і зчеплення є умовним. Проте, враховуючи, що численні досліди добре

підтверджують представлену рівнянням (3.6) просту залежність, поки вважають воз-

можно користуватися зазначеними поняттями.

3.4. Закон ламінарної фільтрації, водопроникність

і фільтраційні властивості. Гідравлічний градієнт,

коефіцієнт фільтрації

Водопроникність пов'язана з ущільненням грунту, тому що при ущільненні з грунту в

першу чергу витягується волога.

У будівництві фільтраційні властивості грунту пов'язані:

1. З інженерними завданнями (фільтрація берегів у результаті будівництва гребель).

2. З питаннями тимчасового зниження рівня грунтових вод для осушення котлова-

нів і подальшого можливого пристрої дренажних систем.

Фільтрацією називають рух вільної води в порах грунту в умовах, коли

потік води майже повністю заповнює пори грунту, тобто міститься відносно невеликих

велику кількість газу, затисненого в скелеті грунту.

Закон ламінарної фільтрації Дарсі встановлює залежність швидкості фільтра-

ції поровое води від градієнта гідравлічного напору. Рух поровое води називають

фільтрацією, а пов'язані з цим процеси - фільтраційними. Розглядаються такі

швидкості, при яких не спостерігаються завихрення гідравлічного потоку. Такий рух

характеризується як спокійна, або ламінарний.

Гідравлічним напором називають тиск в поровій воді, виражене в одиницях

висоти еквівалентного водяного стовпа:

де γw - питома вага води. Градієнтом гідравлічного напору називають безрозмірну

величину, рівну відношенню різниці гідравлічних напорів на вході і виході фільтра-

ційного потоку до довжини шляху фільтрації порової води (рис. 3.11, б):

У дослідах (рис. 3.11, а) Дарсі вимірював витрата води Q (м3) при фільтрації її через ци-

ліндр з піском площею поперечного перерізу А. Їм отримана наступна експеримен-

тальна залежність:

де kf - коефіцієнт пропорційності, названий коефіцієнтом фільтрації;

t - час фільтрації.

Визначимо поняття швидкості фільтрації f

θ (м / с) як витрата порової води через оди-

ницю поперечного перерізу в одиницю часу. Тоді з експериментальної залежності

Дарсі будемо мати:

Формула відома як закон ламінарної фільтрації Дарсі, який можна сформу-

лювати наступним чином: швидкість фільтрації порової води прямо пропорційно

градієнту гідравлічного напору.

Коефіцієнт фільтрації kf, що входить у формулу (3.10), можна трактувати як швидкість фільтрації порової води при градієнті гідравлічного напору (кажуть також, гід-

равлічному градієнті), що дорівнює одиниці. Згідно з малюнком (3.11, б) одиничного

значення градієнта гідравлічного напору відповідає кут нахилу поверхні грун-

тового потоку до горизонтальної площини j = 45 °. З наведеного вище визначення слі-

дує, що коефіцієнт фільтрації має розмірність швидкості (м / с). У довідкових мате-

ріалах коефіцієнт фільтрації найчастіше наводиться в метрах, поділені на добу. Зна-

чення коефіцієнта фільтрації залежать від виду грунту і змінюються в широких межах

від 0,001 м / доба для глин до 100 м / добу для пісків.

У формулі (3.10) фігурує фіктивна швидкість фільтрації, віднесена до повного

перетину грунту, що включає як перетину пір, так і перетину мінеральних частинок. Так як

фільтрація відбувається тільки по перетинах пір, дійсна швидкість фільтрації вище

фіктивною. Вона може бути обчислена через пористість грунту: V = f

θ / n. Дійсна швидкість враховується при аналізі суффозійних процесів в грунтах.

Реальні грунти володіють початковим гідравлічним опором. Це означає,

що фільтраційні процеси протікають лише при гідравлічних градієнтах, великих

певної величини. Цю величину називають початковим гідравлічним градієнтом

i0. Величина початкового гідравлічного градієнта, як і коефіцієнт фільтрації, залежить

від виду грунту.

З урахуванням зробленого зауваження запишемо остаточний вираз для закону лами-

нарної фільтрації Дарсі:

Фільтраційні характеристики грунтів використовуються при:

1. Розрахунку дренажу.

2. Визначенні дебіту джерела підземного водопостачання.

3. Розрахунку осідання споруд (підстав) у часі.

4. Штучному пониження рівня грунтових вод.

5. Розрахунку шпунтового огородження при відкопування котлованів, траншей.

Як приклад наведемо усереднені значення коефіцієнта фільтрації різ-

особистих грунтів:

галечник чистий більше 100 м / добу;

галечник з піщаним заповнювачем 100 - 200 м / добу;

піски чисті різної крупності 50 - 2 м / добу;

піски чисті глинисті, супіски 2 - 0,1 м / добу;

суглинки менше 0,1 м / добу;

глини менше 0,01 м / добу.

3.5. Вплив підземних вод на будівельні властивості

грунтів і на фундаменти

На різній глибині від поверхні землі зустрічаються грунти, просочені водою.

Ці води називаються грунтовими, а верхня поверхня їх - рівнем грунтових вод.

Грунтові води дуже впливають на структуру, фізичний стан і подат-

ливість грунтів. Виробництво робіт за наявності води в котловані сильно ускладнюється.

Різні домішки, розчинені у воді, можуть шкідливо (агресивно) впливати на матеріал

фундаментів і руйнувати його. Все це змушує будівельника при проектуванні і зведенні фундаментів детально вивчати грунтові води в районі будівлі. Вода в грунті скоп-

ляєтся внаслідок конденсації пари, що проникає разом з повітрям, і просочування до-

ждєвих і талих снігових вод. Тому рівень грунтових вод непостійний: найбільш високе стояння їх буває навесні, найбільш низька - взимку і влітку. Поблизу відкритих водойм

(Річка, канал, озеро і т. д.) коливання рівня грунтових вод зазвичай пов'язане з коливанням

рівня води у водоймі.

Після проведення на великій території планувальних робіт, пристрої доріг,

тротуарів, каналізаційної мережі і т. д. умови стоку і просочування змінюються, що може

спричинити зміну режиму грунтових вод. Тому у великих містах, де такі роботи

вже проведені, коливання рівня грунтових вод буває зазвичай незначним. Розподіле-

ння вод в товщі грунту багато в чому залежить від характеру нашарування. Вода затримуєть-

ся при просочуванні над водотривкими (головним чином - важкими глинистими) грун-

тами і нагромаджується в водопроникних (піщаних) шарах, які в цьому випадку називаються

водоносними. Якщо водоносний шар знаходиться під водотривких, то вода в нижньому водо-

носному шарі у багатьох випадках перебуває під тиском. Якщо у верхньому шарі відрити кот-

лован, то вода надійде в нього знизу під тиском і підніметься вище рівня, на якому

вона спочатку з'явилася.

Такі води називаються напірними, а рівень, до якого вони піднімаються, - уста-

новівшимся рівнем грунтових вод. Очевидно, що цей рівень повинен виявлятися при

вишукуваннях і враховуватися при проектуванні. На закінчення відзначимо, що при просочуванням води невелику кількість її завжди затримується у верхньому грунтовому шарі (починаються води, верховодка). Не надаючи впливу на конструкцію фундаментів, наявність цих

вод змушує завжди вживати заходів з ізоляції фундаментів і стін від вологи.

41

Вплив грунтових вод на стійкість і міцність основи

Зміна рівня грунтових вод після зведення споруди може різко знизити

міцність основи і викликати серйозні деформації споруди в наступних випадках:

• при наявності в грунті легкорозчинних у воді речовин грунт з часом

може різко змінити свої властивості і зруйнуватися; цього можна побоюватися, коли хімічним

аналізом встановлено присутність в грунтовій воді великої кількості мінеральної

них речовин. Тому у всіх таких випадках необхідно докладно вивчити склад грун-

та і визначити заходи, що усувають можливість його руйнування;

• при розташуванні споруди на дрібних і пилуватих пухких пісках, які під

тиском течуть разом з водою. Такі грунти називаються пливунами. Якщо грунтові води

мають вихід на поверхню (наприклад, у місці різкої зміни рельєфу.), виникає небезпека виносу частинок грунту з-під проектуємої споруди або з-під будинків, розташованих поруч з котлованом.

Тому при проектуванні споруди на пливуни необхідно спеціальними ис-

прямуванням встановити межі поширення пливунів, можливість винесення їх в

місцях різких переломів поверхні рельєфу, характер і рельєф підстилаючих грунтів,

напрям і швидкість руху грунтових вод. На підставі цих даних у кожному кон-

кретному випадку особливо вирішується питання про вибір допустимого тиску на пливун з урахуванням

впливу, який буде надано цим тиском на рівень і рух грунтових вод. Од-

новременно встановлюються заходи, що усувають можливість винесення грунту з-під

споруди;

• по всій країні досить сильно поширені особливі глинисті грунти, які,

перебуваючи під навантаженням в сухому стані, нічим не відрізняються за характером роботи від

інших глинистих грунтів, але при проходженні крізь їх товщу води відразу різко втрачають

стійкість. Такі грунти називаються лесовидними, або просадними. Як показала

будівельна практика, лесовидні грунти можуть служити підставою для споруди, ес-

Чи усунуто можливість замочування їх.

Агресивність грунтових вод

Грунтові води, здатні руйнувати цементні бетони і розчини, називаються аг-

рессівнимі. Агресивність їх залежить від хімічного складу розчинених в них солей і

кислот. Ці речовини потрапляють у воду з підземних природних покладів або з покидьків

деяких виробництв. Тому агресивні води зустрічаються повсюдно. Вода навіть з

малою кількістю шкідливих речовин може виявитися небезпечною для бетону, так як вследст-

віє безперервного руху води на бетон діють всі нові й нові частинки шкідливих

домішок. Тому завжди слід проводити хімічний аналіз води. У всякій воді

є, хоча б у незначній кількості, вуглекислота (СО2). Вона може бути пов'язаною

(Неактивною, нездатною вступати в які-небудь нові з'єднання) і вільною (активної).

Пов'язана вуглекислота для бетону нешкідлива. Вільна вуглекислота вступає в реакцію з

вапном бетону і утворює розчинні у воді солі. У сильно забрудненій воді, при наяв-

ності в ній і вільної вуглекислоти (СО2), і сульфатів (S04), і хлоридів (Сl), і окису магнію

(MgO), шляхом взаємодії з бетоном утворюються розчинні солі, і тому агресивність

ність води залежить від сукупності всіх цих домішок. У порівняно чистій воді при

відсутності хлору (Cl) та вільної вуглекислоти (СО2), при наявності солей магнію (MgO) і

натрію (NaO) у кількості, меншій 60 мг / л, шкідливі розчини гіпсу, оскільки вони ведуть до про-

разованию складних солей («цементна бацила»), які збільшуються в об'ємі і пото-

му руйнують бетон. Дуже шкідливі домішки азотної і азотистої кислот і аміаку. Наобо-

рот, кремнекислоти в будь-якій кількості нешкідлива.

42