Прочностные свойства грунтов: ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости (с Поправкой)

Автор

Содержание

Прочностные характеристики грунтов

Прочность грунта определяет его способность удерживать строение в вертикальном положении. От прочностных характеристик зависит, насколько глубоким должен быть фундамент, насколько высоким может быть строение. Прочность грунтового основания обеспечивает вертикальное положение стен, отсутствие наклонов, трещин, просаживаний и других капитальных разрушений. Как определяются прочностные характеристики для грунтов? Какие приборы и методы используются для исследования качества грунтов перед капитальным строительством?

Как определяют прочность?

Для определения прочности любого материала его подвергают воздействию нагрузки и отслеживают наличие и размер деформаций после нагружения. В зависимости от деформационных свойств, материал может выдерживать определённую нагрузку без изменений размеров и  формы или деформироваться под воздействием внешних сил.

Виды грунтов

 

Почва или грунт – это материалы, у которых есть определённая прочность и стойкость к деформациям. Плотная почва (глина) хорошо держит нагрузку и не деформируется. Сыпучий грунт (песок) нагрузки не выдерживает, сдвигается и вызывает разрушение стен строения. Кроме того, способность не деформироваться под нагрузкой зависит от состояния грунта (насыщенности водой, промерзания). Какие нагрузки должен выдерживать грунт под фундаментом здания?

Какие нагрузки выдерживает здание

Силы, которые воздействуют на строение

 

Здание испытывают воздействие вертикальных нагрузок (давление атмосферы, снега, дождя) и горизонтальных нагрузок (давление ветра). Поэтому испытание на лабораторных приборах определяет способность образцов грунта выдерживать вертикальные и горизонтальные нагрузки. В ходе испытаний также определяется критическое значение, при котором образец грунта разрушается (сдвигается, получает значительную деформацию или рассыпается).

 

Среди прочностных характеристик грунтов наиболее  важна стойкость к касательным (сдвигающим) деформациям (горизонтальным нагрузкам).

Лабораторные испытания прочности грунта

Для определения прочностных характеристик грунтов проводят лабораторные испытания грунтовых проб на специальных приборах. Способы и методы исследований определяются ГОСТом 12248-96.

 

Чаще испытание проводят на приборе, который прилагает усилие сдвига в одной плоскости. Такое исследование называют «методом одноплоскостного среза». Сначала к образцам грунта (не меньше 3-х) прикладывают горизонтальную сдвигающую нагрузку и наращивают её до разрушения образца. После , к трём другим образцам грунта прикладывают вертикальную нагрузку и также наращивают её до разрушения образца.

Медленное наращивание нагрузки увеличивается с шагом 0,1а (где «а» – атмосферное давление). Нагрузку наращивают до тех пор, пока образец не разрушится или пока его деформация (сдвиг) не превысит 5 мм.

График лабораторных исследований

 

Данные исследований заносят в график, где вдоль осей обозначают размер нагрузки (сдвигающего усилия) и величину сдвига. По данному графику определяют внутреннее трение грунта, удельное сопротивление срезу и его удельное сцепление.

Полученные показатели сравнивают с обозначенными допустимыми характеристиками грунтов, указанными в ГОСТе. После выносят рекомендации о возможности строительства здания на данном грунте.

В лаборатории исследования грунтов

 

Когда проводят исследование

Исследование прочностных характеристик грунтов проводится в ходе геолого-разведывательных работ перед строительством здания. Особенно это важно для высотных многоэтажных построек, которые имеют значительный вес и должны выдерживать большие ветровые нагрузки.

Забор грунта для испытаний на приборах называют монолитом. Его берут из шурфов – скважин, глубина которых равна глубине фундамента будущего дома. Пробу грунтов берут через каждые 1-2 м вдоль всей глубины шурфа. В качестве образцов для исследований берут пробы с неразрушенной внутренней структурой грунта (без перекапывания, рыхления и др.).

 

Испытания на приборах проводят на образцах в сухом и водонасыщенном (намокшем) состоянии, а также на предварительно уплотнённых образцах или без их предварительного уплотнения.

Геодезическая разведка . Так выглядит проба грунта

Приборы для определения прочности

Для лабораторных исследований используются следующие приборы:

  • Устройство компрессионного сжатия ГТ1.1.4 – измеряет деформируемость, просадочность почвы.
  • Установки трёхосного сжатия ГТ0.3.10., ГТ0.3.13., ГТ0.3.14.
  • Установки для одноплоскостного среза ГТ0.2.1., ГТ1.2.9.
  • Установка предварительного уплотнения образцов ГТ1.2.5. и прибор для уплотнения ГТ1.4.1
  • Установки одноосного сжатия ГТ0.5.3., ГТ0.5.4
  • Установки сжатия и растяжения для исследования скальных грунтов ГТ0.6.3., ГТ0.6.4.
  • Установка одноплоскостного среза для мёрзлого грунта ГТ0.2.2.
  • Приспособления для подготовки образцов.
Установка одноплоскостного среза

 

С помощью лабораторных исследований определяют прочностные характеристики грунта.

Прочность грунтов: характеристики

Деформационные свойства почвы измеряются следующими показателями:

  • Прочность грунта – способность сопротивляться внешнему воздействию – оценивается пределом прочности на одноосное сжатие (максимальной нагрузкой, которую грунт выдерживает без разрушения). Измеряется в МПа.
  • Угол трения – зависит от вида грунта, для песчаников равен 25-45 единиц, для пылеватых глин – от 7 до 30 единиц. Также показателем прочностных характеристик грунта является коэффициент внутреннего трения.
  • Удельное сцепление – сопротивление удельных связей внутри грунта перемещению его частиц. Измеряется в кПа или кгс/см2.
  • Модуль деформации Е (характеристика жёсткости грунта) – коэффициент зависимости деформации от напряжения.

Характеристики прочности грунта могут изменяться в зависимости от времени года, водонасыщения, температуры.

 

Что влияет на прочность грунта?

Что влияет на деформационные характеристики грунтов:

  • Гранулометрический состав грунта (размер его частиц). Чем мельче частицы, тем выше плотность и ниже деформационные свойства.
  • Пористость почвы (чем плотнее почва, тем выше её прочностные характеристики и ниже способность деформироваться под нагрузкой).
  • Влажность грунта (намокание грунта снижает характеристики прочности).
  • Колебания подземных вод (подъём их уровня снижает прочностные свойства грунта).
Работа геодезистов – начало строительства

 

Определение деформационных свойств грунтов требует профессиональных знаний и геологических расчетов.

 

ОСНОВНЫЕ ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТА

РОЛЬ ГРУНТА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Грунт представляет собой основание здания, его не видно, он находится под сооружением, но его роль в строительстве огромна. От прочности основания зависит срок службы здания, сколько дом простоит, сколько землетрясений он выдержит. На устойчивость и долговечность будущего построенного сооружения влияют прочностные характеристики грунта, которые отвечают за то, чтобы здание не просело и не наклонялось.

Схемы нагружения образцов грунта: а – истинное трехосное сжатие; б – плоская деформация; б – трехосное сжатие.

Грунт имеет деформационные свойства, о которых не стоит забывать!

Прочность основания зависит от того, какое напряжение оно сможет выдержать, при этом не смещаясь и не деформируясь. Вспомните Пизанскую башню, которая с каждым годом все больше и больше наклоняется к земле. Это произошло, потому что архитектор, который создавал эту легендарную башню, не учел, что почва под башней недостаточно прочная для такого сооружения.

Определение прочностных характеристик грунтов с заданной надежностью.

Для того чтобы не происходило таких казусов, грунт должен соответствовать определенным стандартам — ГОСТам. Если бы строители и архитекторы не учитывали деформационные свойства почвы и воздействие внешних факторов, то количество руин возросло. Нужно не только учитывать все возможные факторы влияния на будущие здания, но также рассчитывать максимальное значение этого влияния.

В физике характеристика прочности грунтов характеризуется условием прочности Кулона-Мора. Если полностью окунуться в физику, то прочностные характеристики грунта определяются такими показателями сил трения, как угол внутреннего трения и сцепление. Эти характеристики позволяют построить устойчивое здание, которое не будет проседать и наклоняться.

Состояние земли не статично, оно меняется под влиянием природных и искусственных факторов. Из-за переменчивого состояния почвы возникает необходимость изучать ее свойства и взаимодействие с внешней средой.

Существует несколько прочностных характеристик грунтов, совокупность их показателей определяет надежность и прочность основания. Человеку, который не имеет отношения к физике или строительству, трудно будет разобраться, но вам всегда помогут профессиональные строители и геодезисты. Подготовка к строительству дома — трудоемкий и ответственный процесс, от качества строительства зависит жизнь будущих жильцов дома. По этой причине государственные органы следят, чтобы строительство отвечало всем установленным нормам и стандартам.

ВЕРНУТЬСЯ К ОГЛАВЛЕНИЮ

ОСНОВНЫЕ ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТА

Схема испытаний грунта в зависимости от его исходного состояния.

1. Гранулометрический состав почвы — доля частиц разного размера, которые образуют данную почву (выражается в процентном отношении). Размер частиц у каждой породы свой: у глинистых пород — миллиметры, у крупнообломочных пород — сотни и десятки сантиметров.

2. Объемная масса — это величина массы земли, объем которой 1 куб. см. Важным условием является то, что масса должна определяться, при естественной влажности и пористости земли.

3. Объемная масса является одной из главных характеристик, которая определяет прочность грунтов. Она зависит от влажности и пористости земных пород. Также рассчитывается объемная масса твердой фазы, то есть масса единица земли, но без массы воды.

4. Естественная влажность — количество воды в почве при естественных условиях. Влажность сильно варьируется в зависимости от исследуемой породы. Величина влажности может сделать одну и ту же породу разной прочности. От естественной влажности напрямую зависит устойчивость основания.

5. Пористость грунтов. Если рассмотреть эту характеристику со стороны физики, то ее можно определить как отношение объема пор почвы ко всему его объему, соответственно, пористость выражается в процентах. Пористость является основной характеристикой плотности основания, от которой напрямую зависят прочностные характеристики.

6. Пластичность грунтов — тоже важный фактор при определении прочностных характеристик грунта. Пластичность является показателем того, какую нагрузку почва может выдержать без разрыва сплошности. Также пластичность означает сохранение полученной формы после оказания на почву внешнего воздействия. Пластичность зависит от влажности и состава земли.

7. Клейкость или липкость грунтов — способность почвы при определенном количестве воды в нем прилипать к инструментам и строениям.

8. Набухание и усадка почвы. Если в грунте увеличить содержание воды, то он увеличится в объеме — это набухание, а если уменьшить, то его объем станет меньше — это усадка.

Схема нарушения структуры грунта основания при промерзании за счёт сил пучения и при оттаивании за счёт снижения прочностных свойств из-за обильного водонасыщения основания.

Пожалуй, это самые необходимые характеристики прочности грунтов. При строительстве нужно учитывать каждый фактор по отдельности и их совокупность. Если один показатель в норме, это совсем не означает, что другой тоже будет соответствовать строительным стандартам. Перед началом строительства обязательно должен быть проведен комплекс геолого-геодезических работ. После разведочных работ вы получаете геолого-геодезическое заключение, на основании которого можно осуществлять расчетные работы.

Инженерно-геологические изыскания дают вам комплексную картину и характеристики района или необходимого вам участка под строительство. Данные изыскания — трудоемкий процесс, который требует много времени и конкретную информацию. Основная задача изыскания — определение геологического разреза, уровня вод и отбор почвы.

Данные изыскательные работы невозможно избежать перед началом строительства, только на основании полученных фактов вы сможете приступить к строительству дома своей мечты.

 

Читайте также:


Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

1.2. Деформационные и прочностные характеристики грунтов

Основными показателями механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований, а также их деформацию, является угол внутреннего трения , удельное сцеплениеС, модуль деформации Е. Для определения механических свойств грунтов можно воспользоваться таблицами приложения 1 СНиП 2.02.01-83*[2]. Для песчаных грунтов нормативные значении сцепления (кПа), угла внутреннего трения(град.) и модуля деформацииЕ (МПа) (табл.1.2.1) определяют в зависимости от типа грунта и коэффициента пористости. Для пылевато-глинистых грунтов величины ,(табл.1.2.2) иЕ (табл.1.2.3) определяются в зависимости от типа грунта, показателя текучести и коэффициента пористости. Искомое нормативное значение показателя механических свойств грунта определяют, используя для этого в необходимых случаях линейную интерполяцию по коэффициенту пористости. Если значения е, грунтов выходят за пределы, предусмотренные в таблице, характеристики ,иЕ следует определять по данным непосредственных испытаний этих грунтов в полевых или лабораторных условиях. Допускается в запас надежности принимать характеристики ,иЕ по соответствующим нижним пределам е, , если грунты имеют значения величин е, меньше этих величин.

Таблица 1.2.1. – Извлечение из табл.1 прил.1 СНиП 2.02.01-83*. Нормативные значения удельного сцепления сn, кПа (кгс/см2), угла внутреннего тренияjn, град. и модуля деформацииЕ, МПа (кгс/см2), песчаных грунтов четвертичных отложений

Песчаные грунты

Обозначения характеристик грунтов

Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е, равном

0,45

0,55

0,65

0,75

Гравелистые и крупные

cn

2(0,02)

1(0,01)

-

-

jn

43

40

38

-

E

50(500)

40(400)

30(300)

-

Средней крупности

cn

3(0,03)

2(0,02)

1(0,01)

-

jn

40

38

35

-

E

50(500)

40(400)

30(300)

-

Мелкие

cn

6(0,06)

4(0,04)

2(0,02)

-

jn

38

36

32

28

E

48(480)

38(380)

28(280)

18(180)

Пылеватые

cn

8(0,08)

6(0,06)

4(0,04)

2(0,02)

jn

36

34

30

26

E

39(390)

28(280)

18(180)

11(110)

Таблица 1.2.2. – Извлечение из табл.2 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения удельного сцепления сn, кПа (кгс/см2), угла внутреннего тренияjn, град. пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести

Обозначения характеристик грунтов

Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е, равном

0,45

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

1,05

Супеси

0 £ IL £ 0,25

cn

jn

21 (0,21)

30

17 (0,17)

29

15 (0,15)

27

13 (0,13)

24

-

-

-

-

-

-

0,25 < IL £ 0,75

cn

jn

19 (0,19)

28

15 (0,15)

26

13 (0,13)

24

11(0,11)

21

9 (0,9)

18

-

-

-

-

Суглинки

0 < IL £ 0,25

cn

jn

47 (0,47)

26

37 (0,37)

25

31 (0,31)

24

25 (0,25)

23

22 (0,22)

22

19 (0,19)

20

-

-

0,25 < IL £ 0,5

cn

jn

39 (0,39)

24

34 (0,34)

23

28 (0,28)

22

23 (0,23)

21

18 (0,18)

19

15 (0,15)

17

-

-

0,5 < IL £ 0,75

cn

jn

-

-

-

-

25 (0,25)

19

20 (0,20)

18

16 (0,16)

16

14 (0,14)

14

12 (0,12)

12

Глины

0 < IL £ 0,25

cn

jn

-

-

81 (0,81)

21

68 (0,68)

20

54 (0,54)

19

47 (0,47)

18

41 (0,41)

16

36 (0,36)

14

0,25 < IL £ 0,5

cn

jn

-

-

-

-

57 (0,57)

18

50 (0,50)

17

43 (0,43)

16

37 (0,37)

14

32 (0,32)

11

0,5 < IL £ 0,75

cn

jn

-

-

-

-

45 (0,45)

15

41 (0,41)

14

36 (0,36)

12

33 (0,33)

10

29 (0,29)

7

Таблица 1.2.3. Извлечение из табл.3 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых

грунтов

Происхождение и возраст грунтов

Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести

Модуль деформации грунтов Е, МПа (кг/см2), при коэффициенте пористости е, равным

0,35

0,45

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

1,05

1,2

1,4

1,6

Четвертичные отложения

Аллювиальные,

Делювиальные,

Озерные,

Озерно-аллювиальные

Супеси

0 £ IL £ 0,75

-

32 (320)

24 (240)

16 (160)

10 (100)

7 (70)

-

-

-

-

-

Суглинки

0 £ IL £ 0,75

-

34 (340)

27 (270)

22 (220)

17 (170)

14 (140)

11 (110)

-

-

-

-

0,25 < IL £ 0,5

-

32 (320)

25 (250)

19 (190)

14 (140)

11 (110)

8 (80)

-

-

-

-

0,5 < IL £ 0,75

-

-

-

17 (170)

12 (120)

8 (80)

6 (60)

5 (50)

-

-

-

Глины

0 £ IL £ 0,75

-

-

28 (280)

24 (240)

21 (210)

18 (180)

15 (150)

12 (120)

-

-

-

0,25 < IL £ 0,5

-

-

-

21 (210)

18 (180)

15 (150)

12 (120)

9 (90)

-

-

-

0,5 < IL £ 0,75

-

-

-

-

15 (150)

12 (120)

9 (90)

7 (70)

-

-

-

Флювиоглянциальные

Супеси

0 £ IL £ 0,75

-

33 (330)

24 (240)

17 (170)

11 (110)

7 (70)

-

-

-

-

-

Суглинки

0 £ IL £ 0,75

-

40 (400)

33 (330)

27 (270)

21 (210)

-

-

-

-

-

-

0,25 < IL £ 0,5

-

35 (350)

28 (280)

22 (220)

17 (170)

14 (140)

-

-

-

-

-

0,5 < IL £ 0,75

-

-

-

17 (170)

13 (130)

10 (100)

7 (70)

-

-

-

-

Моренные

Супеси

Суглинки

IL £ 0,5

75 (750)

55 (550)

45 (450)

-

-

-

-

-

-

-

-

Юрские отложения оксфордского яруса

Глины

-0,25 £IL £ 0

-

-

-

-

-

-

27 (270)

25 (250)

22 (220)

-

-

0 < IL £ 0,25

-

-

-

-

-

-

24 (240)

22 (220)

19 (190)

15 (150)

-

0,25 < IL £ 0,5

-

-

-

-

-

-

-

-

16 (160)

12 (120)

10 (100)

Прочностные характеристики грунтов, необходимые для строительства

Роль грунта в строительстве

Грунт представляет собой основание здания, его не видно, он находится под сооружением, но его роль в строительстве огромна. От прочности основания зависит срок службы здания, сколько дом простоит, сколько землетрясений он выдержит. На устойчивость и долговечность будущего построенного сооружения влияют прочностные характеристики грунта, которые отвечают за то, чтобы здание не просело и не наклонялось.

Схемы нагружения образцов грунта

Схемы нагружения образцов грунта: а – истинное трехосное сжатие; б – плоская деформация; б – трехосное сжатие.

Грунт имеет деформационные свойства, о которых не стоит забывать!

Прочность основания зависит от того, какое напряжение оно сможет выдержать, при этом не смещаясь и не деформируясь. Вспомните Пизанскую башню, которая с каждым годом все больше и больше наклоняется к земле. Это произошло, потому что архитектор, который создавал эту легендарную башню, не учел, что почва под башней недостаточно прочная для такого сооружения.

Определение прочностных характеристик грунтов с заданной надежностью

Определение прочностных характеристик грунтов с заданной надежностью.

Для того чтобы не происходило таких казусов, грунт должен соответствовать определенным стандартам – ГОСТам. Если бы строители и архитекторы не учитывали деформационные свойства почвы и воздействие внешних факторов, то количество руин возросло. Нужно не только учитывать все возможные факторы влияния на будущие здания, но также рассчитывать максимальное значение этого влияния.

В физике характеристика прочности грунтов характеризуется условием прочности Кулона-Мора. Если полностью окунуться в физику, то прочностные характеристики грунта определяются такими показателями сил трения, как угол внутреннего трения и сцепление. Эти характеристики позволяют построить устойчивое здание, которое не будет проседать и наклоняться.

Состояние земли не статично, оно меняется под влиянием природных и искусственных факторов. Из-за переменчивого состояния почвы возникает необходимость изучать ее свойства и взаимодействие с внешней средой.

Существует несколько прочностных характеристик грунтов, совокупность их показателей определяет надежность и прочность основания. Человеку, который не имеет отношения к физике или строительству, трудно будет разобраться, но вам всегда помогут профессиональные строители и геодезисты. Подготовка к строительству дома – трудоемкий и ответственный процесс, от качества строительства зависит жизнь будущих жильцов дома. По этой причине государственные органы следят, чтобы строительство отвечало всем установленным нормам и стандартам.

Вернуться к оглавлению

Основные прочностные характеристики грунта

Схема испытаний грунта в зависимости от его исходного состояния

Схема испытаний грунта в зависимости от его исходного состояния.

  1. Гранулометрический состав почвы – доля частиц разного размера, которые образуют данную почву (выражается в процентном отношении). Размер частиц у каждой породы свой: у глинистых пород – миллиметры, у крупнообломочных пород – сотни и десятки сантиметров.
  2. Объемная масса – это величина массы земли, объем которой 1 куб. см. Важным условием является то, что масса должна определяться, при естественной влажности и пористости земли.
  3. Объемная масса является одной из главных характеристик, которая определяет прочность грунтов. Она зависит от влажности и пористости земных пород. Также рассчитывается объемная масса твердой фазы, то есть масса единица земли, но без массы воды.
  4. Естественная влажность – количество воды в почве при естественных условиях. Влажность сильно варьируется в зависимости от исследуемой породы. Величина влажности может сделать одну и ту же породу разной прочности. От естественной влажности напрямую зависит устойчивость основания.
  5. Пористость грунтов. Если рассмотреть эту характеристику со стороны физики, то ее можно определить как отношение объема пор почвы ко всему его объему, соответственно, пористость выражается в процентах. Пористость является основной характеристикой плотности основания, от которой напрямую зависят прочностные характеристики.
  6. Пластичность грунтов – тоже важный фактор при определении прочностных характеристик грунта. Пластичность является показателем того, какую нагрузку почва может выдержать без разрыва сплошности. Также пластичность означает сохранение полученной формы после оказания на почву внешнего воздействия. Пластичность зависит от влажности и состава земли.
  7. Клейкость или липкость грунтов – способность почвы при определенном количестве воды в нем прилипать к инструментам и строениям.
  8. Набухание и усадка почвы. Если в грунте увеличить содержание воды, то он увеличится в объеме – это набухание, а если уменьшить, то его объем станет меньше – это усадка.
Схема нарушения структуры грунта основания при промерзании за счёт сил пучения и при оттаивании за счёт снижения прочностных свойств из-за обильного водонасыщения основания

Схема нарушения структуры грунта основания при промерзании за счёт сил пучения и при оттаивании за счёт снижения прочностных свойств из-за обильного водонасыщения основания.

Пожалуй, это самые необходимые характеристики прочности грунтов. При строительстве нужно учитывать каждый фактор по отдельности и их совокупность. Если один показатель в норме, это совсем не означает, что другой тоже будет соответствовать строительным стандартам. Перед началом строительства обязательно должен быть проведен комплекс геолого-геодезических работ. После разведочных работ вы получаете геолого-геодезическое заключение, на основании которого можно осуществлять расчетные работы.

Инженерно-геологические изыскания дают вам комплексную картину и характеристики района или необходимого вам участка под строительство. Данные изыскания – трудоемкий процесс, который требует много времени и конкретную информацию. Основная задача изыскания – определение геологического разреза, уровня вод и отбор почвы.

Данные изыскательные работы невозможно избежать перед началом строительства, только на основании полученных фактов вы сможете приступить к строительству дома своей мечты.

Рекомендации по определению прочностных характеристик уплотненных суглинков нарушенного сложения для обратных засыпок котлованов зданий и сооружений

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ
И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ имени К.М. ГЕРСЕВАНОВА
ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК УПЛОТНЕННЫХ
СУГЛИНКОВ НАРУШЕННОГО
СЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ОБРАТНЫХ ЗАСЫПОК
КОТЛОВАНОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

МОСКВА 1982

Рекомендации по определению прочностных характеристик уплотненных суглинков нарушенного сложения разработаны на основании экспериментальных исследований нарушенных суглинков различной плотности и консистенции.

Для ускорения внедрения в практику строительства последних достижений науки и техники и установления прямых связей между научно-исследовательскими и проектными организациями Госстрой СССР директивным письмом от 15.05.80 г. (№ ИИ-2410-15) разрешил при разработке рабочих чертежей применять рекомендации головных научно-исследовательских институтов Госстроя СССР до включения их в нормативные документы.

Рекомендации подготовлены в лаборатории методов исследования грунтов НИИОСП канд. геол.-мин. наук А.А. Васильевой. В проведении экспериментов и обработке результатов принимали участие В.Л. Лебедев и Г.Л. Ткаченко. Эксперименты проводились при участии сотрудников Фундаментпроекта и ЦТИСИЗа.

Рекомендации одобрены секцией Научно-технического совета института и рекомендованы к изданию.

При строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений применяются заглубленные технологические подвалы, туннели и т.п. Почти все эти подземные части зданий и сооружений возводятся открытым способом с последующей засыпкой пазух местным или привозным грунтом, уплотняемым различными методами.

Ограждающие конструкции подземной части сооружения можно рассматривать как подпорные стенки, воспринимающие давление грунта от обратных засыпок. Для расчета подпорных стенок, а также для вычисления расчетных давлений на уплотненные основания необходимо располагать значениями прочностных характеристик грунта нарушенного сложения.

1.2 Основные физико-механические свойства карьерных и намывных грунтов

Эффективность намыва и качество возводимых намывных сооружений в наибольшей степени зависят от характеристик грунта.

В гидромеханизированном процессе намыва необходимо рассматривать технологически взаимосвязанный комплекс работ:

  • подводная разработка грунта;
  • гидротранспортировка грунта;
  • намыв и укладка грунта в сооружения или отвалы.

В зависимости от вида технологического процесса необходимо рассматривать соответственно и физико-механические свойства грунтов (табл. 1.1) [54].

Таблица 1.1

Физико-механические свойства грунтов

Технологический процесс Свойства грунтов, влияющие на технологический процесс
1.Подводная разработка грунта ·   гранулометрический состав;

·   плотность;

·   удельное сцепление;

·   угол внутреннего трения;

·   пластичность;

·   прилипаемость;

·   форма частиц;

·   окатанность;

·   засоренность инородными телами (корнями растений, валунами и т.д.)

2.     Гидротранспортировка грунта ·   гранулометрический состав;

·   плотность;

·   гидравлическая крупность;

·   форма частиц;

·   окатанность;

·   измельчаемость при гидравлическом транспортировании;

·   абразивность

3.    Намыв грунтовых сооружений и укладка грунта ·   гранулометрический состав;

·   плотность;

·   водоотдача;

·   водоудерживающая способность;

·   гидравлическая крупность;

·   водопроницаемость;

·   угол внутреннего трения;

·   удельное сцепление;

·   угол откоса при намыве;

·   набухание

Под гранулометрическим составом грунта понимается процентное содержание по массе частиц грунта различной крупности — фракционности.

Фракция грунта — это группа частиц (зерен) грунта, близких по размерам и свойствам.

Наиболее распространена классификация грунтов по гранулометрическому составу, в которой учитываются следующие четыре основные фракции, входящие в состав большинства разрабатываемых грунтов (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Фракции грунта

Фракции Размеры частиц, мм
Гравийная крупнее 2
Песчаная от 2 до 0,05
Пылевая от 0,05 до 0,005
Глинистая менее 0,005

Размеры выделяемых фракций зависят от состава и назначения грунта.

При определении гранулометрического состава грунтов, используемых для намыва земляных сооружений, учитываются следующие фракции (табл. 1.3) [55]. 

Таблица 1.3

Фракции грунта, учитывающиеся при определении гранулометрического состава грунтов для намыва земляных сооружений

Грунт Фракции, мм
Глинистые частицы Менее 0,005
Пыль:

– мелкая

– крупная

0,005–0,01
0,01–0,05
Песчаные частицы:

– тонкие (пылеватые)

– мелкие

– средней крупности

– крупные

 

0,05–0,1

0,1–0,25

0,25–0,5

0,5–1; 1–2

Гравийные зерна

– мелкие

– средние

– крупные

 

2–5

5–10

10–20

Галька:

– мелкая

– средняя

– крупная

– очень крупная

 

20–40

40–60

60–80; 80–100

100–150; 150–200

 

Гранулометрический состав грунта определяют путем анализа каждой из проб грунта.

Средневзвешенный размер (диаметр) частиц грунта dср по отдельной скважине или по всему карьерному полю определяют:

dср= (d1Bd2B+…+ dnBn)/100,

где d1, d2, … dn — среднеарифметическое значение диаметра частиц грунта по фракциям, мм; В1, В2, … Вn — средневзвешенное содержание фракций грунта, %.

Плотность грунта ρ представляет собой отношение массы грунта к занимаемому объему, г/см3, кг/м3, т/м3 (табл. 1.4).

Плотность грунта непостоянна и зависит от условий естественного залегания (влажность, количество воды в порах и т. д.), так как включает отношение общей массы грунта mгр, включая массу воды в его порах, в естественном состоянии к занимаемому этим грунтом объему Vгр

ρ = mгр/Vгр.

Плотность сухого грунта ρ — это отношение массы сухого грунта mтв (исключая массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему Vгр (включая имеющиеся в этом грунте поры), или масса твердой части грунта в единице его объема ненарушенной структуры:

ρd = mтв/Vгр; ρd = ρ/(1+0,01W),

где W — природная влажность грунта, %.

Плотность частиц грунта ρS (табл. 1.5) — это отношение массы сухого грунта mтв (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта Vтв

ρS mтв/Vтв. 

Таблица 1.4

Среднее значение плотности грунтов в естественном состоянии

Грунт Плотность ρ, кг/м3
Грунт растительного слоя 800–1200
Торф 800–1200
Чернозем 1200–1300
Ил речной 1800
Песок:

мокрый

сухой без примесей

с примесью частиц гальки, гравия до 10%

то же, более 10%

бархатистый и дюнный

 

1950

1600

1650

1700

1600

Гравий сухой 1800
Гравий мокрый 2000
Галечно-гравийно-песчаные грунты при размере частиц, мм:

до 80

свыше 80

свыше 80 с содержанием валунов до 10%

то же, до 30%

то же, до 70%

 

1750

1950

1950

2000

2300

Валунный грунт (содержание частиц крупнее 200 мм более 50%) 2500
Щебень при размере частиц, мм:

до 40

до 150

 

1750

1950

Пески, супески и суглинки при пористости:

более 0,5% и содержании частиц крупнее 2 мм до 10%

до 0,5% глины при влажности более 0,5% и содержании частиц крупнее 2 мм до 10%

 

1600

1800

Глины при влажности до 0,5% и содержании частиц крупнее 2 мм до 10% 1850
Пески, супеси, суглинки и глины при:

влажности и пористости до 0,5% и содержании частиц крупнее 2 мм: до 35%, до 65%, более 65%

пористости до 0,5% и содержании частиц крупнее 2 мм:

до 35%, до 65%, более 65%

 

1800, 1900, 1950

 

2000, 2100, 2300

Супесь:

пластичная без примесей

твердая без примесей, а также пластичная и твердая с примесью щебня, гальки до 10%

пластичная и твердая с примесью щебня, гальки более 10%

 

 

1650

1650

1850

Суглинок:

мягкопластичный без примесей

то же, с примесью частиц щебня и гравия до 10% и тугопластичный без примесей

мягкопластичный с примесью гальки более 10%

тяжелый

 

1700

1750

1750

1900

Глина:

мягко- и тугопластичная без примесей

то же, с примесью гальки и гравия до 10%

то же, более 10%

полутвердая, твердая

плотная, вязкая

 

1800

1750

1900

1950

2100

Лёсс:

мягкопластичный

тугопластичный, твердый

 

1600

1800

Таблица 1.5

Значение плотности частиц песчано-глинистых грунтов

Грунт Плотность ρS, кг/м3
Песок 2,66
Супесь 2,70
Суглинок 2,71
Глина 2,74

 

Плотность частиц грунта ρS выражается через плотность грунта в естественном состоянии ρ и коэффициент пористости е:

ρS = ρ/(1–е).

Пористость грунта n — отношение объема пор (пустот) Vп в грунте к общему объему грунта Vгр, %:

n = (Vп / Vгр)100%,

n = (1 – ρd S)100%.

Пористость зависит от гранулометрического состава грунта, формы частиц и плотности их сложения (табл. 1.6). Чем больше пористость и рыхлость грунта, тем легче он поддается гидравлическому размыву.

Таблица 1.6

Значение пористости для некоторых грунтов

Грунт Пористость грунта n, %
Глины 35–50
То же, ленточные 47–52
То же, коренные, пластичные

(юрские, майкопские, сарматские)

52–56
Суглинки:

лёссовидные

моренные

покровные

 

42–47

25–26

28–40

Супески 25–30
Пески 30–45
Ил 60–90

 

Коэффициент пористости грунта е — отношение объемов пор в грунте Vп к объему твердой фазы грунта Vтв, %:

e = Vп /Vтв = (ρS d) – 1,

e = n/(1 – n).

Коэффициент пористости e характеризует плотность укладки зерен грунта (чем меньше е, тем плотнее грунт). В зависимости от коэффициента пористости е песчаные грунты делят по плотности сложения на плотные, средней плотности и рыхлые (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Классификация песков по пористости

Пески Коэффициент пористости, е
Плотные Средней

плотности

Рыхлые
Гравелистые крупные

и средней крупности

 

Менее 0,55

 

0,55–0,7

 

Более 0,7

Мелкие Менее 0,6 0,6–0,75 Более 0,75
Пылеватые Менее 0,6 0,6–0,8 Более 0,8

 

Гидравлическая крупность частиц грунта ω, см/с — скорость падения частиц грунта в спокойной воде (табл. 1.8), которая зависит от формы, размеров и плотности частиц грунта, вязкости и плотности среды.

Гидравлическая крупность частиц грунта используется при расчетах процессов всасывания, осаждения, гидравлической классификации и др.

При гидравлических расчетах процессов гидромеханизации учитывают усредненную гидравлическую крупность стесненного падения частиц грунта различной крупности, равную среднеарифметическому значению:

ωi = (ω+ ω2)/2

или среднегеометрическому значению гидравлической крупности отдельных фракций (при числе фракций i):

среднегеометрическое значение гидравлической крупности отдельных фракций

Таблица 1.8

Гидравлическая крупность частиц грунта при свободном падении в спокойной воде

Диаметр частиц, мм ωсв, см/с, при температуре воды
5°С 10°С 15°С 20°С
0,001 0,000126 0,00049 0,00005 0,00006
0,01 0,0043 0,0049 0,0056 0,0064
0,05 0,106 0,124 0,148 0,16
0,10 0,386 0,46 0,535 0,61
0,125 0,55 0,66 0,78 0,89
0,25 1,84 2,05 2,26 2,46
0,50 5,34 5,67 6,0 6,33
0,75 8,81 9,23 9,65 10,07
1,0 11,20 11,68 12,17 12,66
1,5 15,15 15,65 16,15 16,65
2,0 18,25 18,75 19,25 19,75
2,5 20,42 20,92 21,42 21,92
3,0 22,25 22,75 23,25 23,75
3,5 24,53
4,0 26,85
5,0 30,00
6,0 32,8
7,0 35,5
8,0 38,0
9,0 40,3
10,0 42,5
15,0 52,0
20,0 60,2
25,0 67,2
30,0 73,6

В таблице приведены данные для грунтов плотностью частиц ρS = 2,65 т/м3.

Влажность грунта W, % — это отношение массы воды в порах грунта к массе сухого грунта mc в данном объеме, выражаемое в процентах или долях единицы:

Влажность грунта формула

где mвл, mc — масса грунта соответственно до и после высушивания.

Влажность грунта влияет на связь (сцепление) между частицами и состояние грунта, особенно на его консистенцию.

Объемная влажность:

Wоб = Wρd.

Абсолютная влажность (полная влагоемкость) Wполн, % представляет заполнение всех пор водой:

Абсолютная влажность (полная влагоемкость) формула

где ρв — плотность воды.

Коэффициент (индекс) водонасыщенности Kw — это отношение фактической влажности W к абсолютной Wполн:

Кw W/Wполн.

Коэффициент водонасыщенности Kw (табл. 1.9, 1.10) характеризует степень насыщения грунта водой (в долях единицы).

Таблица 1.9

Коэффициент водонасыщенности

Песок Kw, доли единицы
Сухой (маловлажный) < 0,5
Влажный 0,5–0,8
Водонасыщенный 0,8–1,0

Таблица 1.10

Предельное значение влажности грунтов природного сложения

Грунт W, %
Песок 1–10
Супесь 10–15
Суглинок 15–25
Глина 25–35

 

Набухание — это способность грунта при увеличении его влажности увеличиваться в объеме.

Процесс, обратный набуханию, происходящий при высыхании грунта, называют его усадкой.

Коэффициент набухания Кн — это отношение объема грунта после насыщения его водой к объему его в естественном состоянии:

Кн Vн/Vест.

Коэффициент набухания Кн учитывают при определении объема гидроотвала (табл. 1.11).

Таблица 1.11

Коэффициент набухания некоторых грунтов

Грунт Кн, доли единицы
Глины:

тяжелые вязкие

обычные пластичные

 

2–1,5

1,5

Суглинки:

тяжелые

средние

легкие

 

1,5–1,45

1,45–1,2

1,2

Супеси 1,15–1,05
Пески:

пылеватые

глинистые

крупнозернистые

 

1,1

1,05

1,0

 

Коэффициент разрыхления грунта Кр — это отношение объема разрыхленного грунта к объему грунта в природном состоянии (табл. 1.12).

Таблица 1.12

Коэффициент разрыхления грунтов

Грунт Кр, доли единицы
Чистый песок и гравий 1,05–1,2
Суглинистый и супесчаный грунт 1,2–1,25
Глина и плотная глина с галькой 1,3–1,4
Щебенистый грунт 1,4–1,45

 

Угол естественного откоса φе — это наибольший (предельный) угол наклона откоса уступа к горизонту с сохранением устойчивого состояния (когда грунт не осыпается и не оплывает). Этот угол зависит от характера и влажности грунтов (табл. 1.13).

Таблица 1.13

Угол естественного откоса

Грунт Угол естественного откоса φе в градусах для грунта
сухого влажного мокрого
Растительный 40 35 25
Песок крупный 30–35 32–40 25–27
Песок средний 28–30 35 25
Песок мелкий 25 30–35 15–20
Суглинок 40–50 35–40 25–30
Глина жирная 40–45 35 15–20
Гравий 35–40 35 25–30
Торф (без корней) 40 25 15

 

Сцепление С — свойство грунта, характеризующее его связность. Чем больше сцепление грунта, тем грунт прочнее и тем больший расход воды требуется на его размыв (табл. 1.14).

 

Таблица 1.14

Удельное сцепление частиц грунта и расход воды на его размыв

Грунт Сцепление, C МПа Удельный расход воды q, м3, на размыв 1 м3 грунта
Песок пылеватый 0,004–0,008 4–6
Супесь 0,007–0,042 4–10
Суглинок 0,019–0,068 10–16
Глина 0,037–0,082 12–18
Жирная глина 0,047–0,094 14–20

Угол внутреннего трения φ характеризует сопротивление грунта сдвигу.

Для сыпучих рыхлых грунтов угол внутреннего трения приближается к углу естественного откоса (табл. 1.15)

Таблица 1.15

Угол внутреннего трения φ для несвязанных грунтов

Грунт Угол внутреннего трения φ, в градусах для грунтов
сухого влажного водонасыщенного
Песок

крупный и гравелистый

средней крупности

мелкий

пылеватый

 

33–37

30–33

27–33

27–33

 

30–35

27–30

25–30

22–25

 

30–35

25–28

22–28

18–22

Гравий и галька 40 40 40
Супесь 22–27 20–25 15–18
Торф 25 20 15
Растительный грунт 40 35 25

 

Водопроницаемость — это способность грунтов пропускать воду под действием силы тяжести или гидростатического напора.

Водопроницаемость оценивается коэффициентом фильтрации Кф, который зависит от состава, степени уплотненности, структуры и сложения грунтов. Обычно коэффициент фильтрации Кф выражается в единицах скорости, м/сут, м/с (табл. 1.16).

Таблица 1.16

Коэффициент фильтрации для некоторых видов грунтов

Грунт Коэффициент фильтрации Кф, м/сут
Песок:

пылеватый, фракции 0,01–0,05 мм

мелкозернистый, фракции 0,1–0,25 мм

среднезернистый, фракции 0,25–0,5 мм

крупнозернистый, фракции 0,5–1,0 мм

 

0,5–1,0

10–15

20–25

60–75

Супесь:

плотная

рыхлая

 

0,1–0,01

1,0–0,1

Суглинок:

тяжелый

легкий и средний

 

0,05–0,01

0,04–0,005

Глина менее 0,001
Галечник:

с песком

чистый

 

20–100

до 200

Гравий:

с песком

чистый

 

75–150

100–200

 

Абразивность грунта — это способность разрабатываемых грунтов истирать (изнашивать) рабочие органы и оборудование гидромеханизации.

Абразивные свойства грунта зависят от гранулометрического состава, степени окатанности и твердости зерен. Абразивность грунта в зависимости от степени окатанности и твердости его частиц учитывается коэффициентом абразивности Ка по шкале, разработанной Б.М. Шкун­ди­ным,  которая  составлена  на основании  твердости минералов по Моосу (табл. 1.17) [9].

Таблица 1.17

Коэффициенты абразивности грунтов (по Б.М. Шкундину)

Грунт Степень окатанности зерен грунта Ка при средней твердости по Моосу
5 6 7
Песок мелкий и средней крупности >8

8–6,5

<6,5

0,2

0,3

0,4

0,5

0,8

1,3

0,6

0,9

1,5

Песок разнозернистый крупный и гравелистый >8

8–6,5

<6,5

0,3

0,4

0,7

0,9

1,3

2,2

1,0

1,5

2,5

Песчано-гравийный грунт >8

8–6,5

<6,5

0,9

1,3

2,2

2,7

4,0

6,5

3,0

4,5

7,5

Если известна интенсивность износа трубопроводов, рабочих органов и другого оборудования гидромеханизации при некоторых средних значениях условий эксплуатации, то, пользуясь этой таблицей, можно прогнозировать износ и в других условиях.

Методы определения основных показателей свойств грунтов

Основные показатели физико-механических свойств грунтов

Как было показано выше, каждый грунт имеет свои, только ему присущие строительные свойства. В оценке свойств грунтов, входящих в расчеты оснований фундаментов, наибольшее значение имеют физико-механические характеристики. Значения показателей этих харак­теристик позволяют выполнять необходимые расчеты при проектировании зданий и сооружений.

Характеристики физических свойств выражают физическое состоя­ние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давления, удара). Механические свойства оцениваются прочностными и деформационными характеристиками грунтов.

Показатели физических и механических свойств скальных и не­скальных грунтов между собой довольно значительно различаются, особенно физические. Некоторые основные физические и механиче­ские свойства скальных и нескальных грунтов приводятся в табл. 16

В табл. 16 показаны характеристики скальных грунтов: физические — плотность, коэффициент размягчения, коэффициент трещиноватости, пористость; механические—сопротивление сжатию и модуль деформации.

Нескальные грунты характеризуются значительно большим коли­чеством физико-механических свойств, особенно физических. Это связано с их более химико-минеральным составом, разнообразием структур и текстур.

К физическим свойствам нескальных фунтов, определяемых экс­периментально и используемых непосредственно в расчетах оснований, относятся коэффициент фильтрации Кф и плотность грунтов р. Важ­ными расчетными характеристиками являются коэффициент пористости е, степень влажности Sr и показатель текучести JL. Они характеризуют состояние грунтов. По наименованию грунтов и их коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести JL , характеризует подвижность глини­стых частиц при механических воздействиях на грунт. Значение Sr отражает степень заполнения пор грунтов водой. О физических свойствах скальных, нескальных и специфических грунтов будет сказано дальше при описании их видов и разновидностей. Ниже приводятся разъяснения только по механическим характеристи­кам.

Прочность грунтов оценивается максимальной нагрузкой, прило­женной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности Ŕс, МПа, или времен­ным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют:

• минеральный состав,

• характер структурных связей,

• трещиноватость,

• степень выветрелости,

• степень размягчаем ости в воде и др.

Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необхо­димо для расчета устойчивости оснований, т. е. несущей способности, а также для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига φ, град., и сцепления С, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторыми — сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящими к разрушению. Деформируемость грунтов зависит, как от сопротивляе­мости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности деформироваться слагающих их минералов. Деформаци­онные свойства грунтов оценивается модулем деформации Е, МПа

Следует отметить, что кроме физико-механических характеристик свойства грунтов во многом зависят от ряда других показателей. Большое влияние могут оказывать состав минералов, характеристики структур и текстур, а для нескальных грунтов — присутствие водора­створимых солей и органических веществ. При оценке свойств грунтов все эти их особенности необходимо учитывать.

Для решения задач проектирования зданий и сооружений все физико-механические характеристики грунтовых оснований разделяют на две группы:

1) показатели физико-механических свойств, которые используют­ся непосредственно в расчетах оснований и 2) вспомогательные пока­затели, с помощью которых осуществляют классификацию грунтов, прогнозируются механические характеристики первой группы, выде­ляются инженерно-геологические элементы в толще грунтов. Харак­теристики грунтов, используемые в расчетах оснований, приведены в табл. 18. Вспомогательные характеристики, которые отражают физи­ческие свойства грунтов, показаны в табл. 19.

Кроме вышеуказанных характеристик на свойства грунтов во мно­гих случаях существенное влияние оказывают минеральный и химиче­ский состав, структуры и текстуры, для скальных грунтов; трещиноватость, степень выветрелости, у дисперсных—содержание водорастворимых солей, присутствие органического вещества и т. д. Так, большое количество минерала монтмориллонита придает глинам особые свойства, большое количество гумуса типично почвам и т. д. Все эти характеристики грунтов определяют специалисты (геологи, физики, химики) в соответствующих лабораториях, где имеется необ­ходимая аппаратура — рентгеновские приборы, электронные и геоло­гические микроскопы, дериватографы, установки ИКС и др.

Реологические свойства грунтов. При оценке свойств грунтов следует помнить, что эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок. Все это приводит к «усталости» грунтов, их структура расслабляется. В грунтах возникают деформации в виде ползучести и даже текучести. Этот процесс называют реологическим. В результате грунт разрушается и здание деформируется. В последнее десятилетие этот процесс часто наблюдается при строительстве сверхвысоких зда­ний и крупных промышленных объектов. Реологические свойства грунтов требуют специальной оценки и исследований.

Методы определения свойства грунтов

Грунты определяют устойчивость возводимых на них зданий и сооружений, поэтому необходимо правильно определять характеристи­ки, которые обуславливают прочность и устойчивость грунтов при их взаимодействии со строительными объектами.

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, со­держание органического вещества определяются в геологических ла­бораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентген, электронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свойства грун­тов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях, т. е. непосредственно на будущих строительных площадках. Методика определения физико-механических свойств выбирается в зависимости от состава и состояния грунтов, условий их поведения в основании, как при строительстве, так и в процессе эксплуатации зданий и сооруже­ний. Особое внимание при этом обращается на достоверность получа­емых результатов, так как грунты и грунтовые напластования весьма изменчивы в пространстве и во времени.

По каждой физико-механической характеристике грунтов выпол­няется несколько определений и проводится их статистический анализ. Количество определений зависит от характера грунтов, назначения сооружения и его конструктивных особенностей. В частности, как правило, для каждого инженерно-геологического элемента минималь­ное количество определений должно быть не менее шести и только в случаях продолжительных полевых испытаний значения механических характеристик устанавливается по данным трех испытаний.

Грунтоведческая лаборатория. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах в буровых скважинах, которые располагают на строительных площадках.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты — это образцы грунтов с ненарушенной структурой. Такие монолиты отбираются в скальных и связных (пылевато-глинистых) грунтах. Размеры монолитов должны быть не меньше установленных норм. Так, для определения сжимаемости грунта, про­бы, отбираемые в шурфах, должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. В монолитах пылевато-глинистых грунтов при этом должна быть сохра­нена природная влажность. Это достигается созданием на их поверх­ности водонепроницаемой парафиновой или восковой оболочки. В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбираются в виде проб определенной массы. Так, для проведения гранулометрического ана­лиза песка необходимо иметь пробу не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-механи­ческие свойства грунтов. Каждая характеристика этих свойств опреде­ляется согласно своему ГОСТу, например, природная влажность и плотность грунта — ГОСТ 5180—84, предел прочности — ГОСТ 17245—79, гранулометрический (зерновой) и микроагрегатный состав — ГОСТ 12536—79 и т. д.

Лабораторные исследования на сегодня остаются основным видом определения физико-механических свойств грунтов. Ряд характери­стик, например, природная влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие определяются только в лабораторных условиях и с достаточно высокой точностью. В тоже время лабораторные исследо­вания грунтов имеют свои недостатки:

  • они довольно трудоемки и требуют больших затрат времени;

  • результаты отдельных анализов, например, определение модуля общей деформации, не дает достаточно точных результатов, что бывает, связано с неправильным отбором монолитов, неправильным их хра­нением, низкой квалификацией исполнителя анализа;

  • определение свойств массива грунта по результатам анализов небольшого количества образцов не позволяют получать верное пред­ставление о его свойствах в целом.

Это связано с тем, что однотипные грунты, даже в пределах одного массива, все же имеют известные различия в своих свойствах.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях, т. е. на строительной площадке, дает определенное преимущество перед лабораторным анализом. Это позволяет определять значения характе­ристик физико-механических свойств в условиях естественного зале­гания фунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При полевых исследованиях лучше, чем по резуль­татам лабораторных анализов, моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений.

Полевые методы исследования грунтов обеспечивают высокую точность результатов, поэтому в последние годы их используют все больше. При этом совершенствуется техническая оснащенность, при­меняются ЭВМ. Некоторые полевые методы относятся к экспресс-ме­тодам, что позволяет быстрее получать результаты изучения свойств грунтов.

Необходимо отметить, что если полевые методы дают хорошую возможность определять свойства в условиях естественного залегания Фунтов, то они не всегда позволяют прогнозировать поведение мас­сивов фунтов на период эксплуатации зданий и сооружений. Поэтому целесообразно разумно сочетать лабораторные и полевые методы.

В полевых условиях определяют все прочностные и деформацион­ные характеристики, как скальных, так и нескальных фунтов.

Среди методов деформационных испытаний фунтов на сжимае­мость эталонным следует считать метод полевых штамповых испытаний (ГОСТ 20278—85). Результаты других методов деформационных испы­таний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое зондирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штам­повых испытаний.

При определении прочностных характеристик фунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков фунта непосредственно на строительной площадке (ГОСТ 23741—79). Из-за высокой стоимости и трудоемкости этих работ их проводят только для сооружений I класса применительно к расчетам по несущейспособности. К I классу относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты, объекты, тре­бующие повышенной надежности (главные корпуса ТЭС, АЭС, теле­визионные башни, промышленные трубы высотой более 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т. д.). Для других случаев строительства (II и Ш класс сооружений) достаточно надежные пока­затели С и <р получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248—78) и трехосного сжатия (ГОСТ 26518—85).

Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования. Результаты этой работы при проектирова­нии ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испыта­ниями. Это обеспечивает достаточную достоверность результатов исследований.

Ниже приводится краткое описание полевых методов исследова­ний, с помощью которых определяются механические характеристики грунтов, показываются примеры выявления свойств грунтов с по­мощью производства опытных строительных работ.

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статическим зондированием.

М е т о д ш т а м п о в. В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые переда­ются статические нагрузки (ГОСТ 20276—85). Штамп в шурфе — это стальная или железобетонная плита. Форма штампа находится в зави­симости от фундамента, который он моделирует, и может быть раз­личной, но чаше всего плита круглая площадью 5000 см2. Для создания под штампом заданного напряжения применяют домкраты или плат­формы с грузом (рис. 27). Осадку штампов измеряют прогибомерами. При проходке шурфа на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. За­грузку штампа производят ступенями и выдерживают определенное время. Значение нагрузки устанавливается в зависимости от вида грунта и его состояния. В итоге работы строят графики:

  • зависимость осадки штампа от давления;

  • осадки штампа во времени по ступеням нагрузки. После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е, МПа.

Штамп в буровой скважине. Для производства работ бурят скважину диаметром более 320 мм. Испытание грунтов проводят специальными установками, которые дают возможность работать на глубине скважи­ны до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см3. Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации определяют по формуле.

Определение модуля деформации в массиве скального фунта про­водят в опытных котлованах. Испытания ведут с помощью прибетонированных в скале бетонных штампов. Давление на штампы подается от гидравлических домкратов (до 10 МПа). Конечным результатом работы является определение модуля деформации скального грунта по соответствующей формуле.

Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах с помощью разведочных скважин. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, которую опускают в скважину на заданную глубину. Камеру расширяют давлением жидкости или газа. В процессе работы в стенках скважины замеряют радиальное перемещение грунта и давление. Это позволяет определять модуль деформации грунтов.

Зондирование (или пенетрация) используется для изучения толщ пород до глубины 15—20 м. Сущность метода заклю­чается в определении сопротивления проникновению в грунт метал­лического наконечника (зонда). Зондирование дает представление о плотности и прочности грунтов на определенной глубине и характе­ризует изменение в вертикальном разрезе.

Зондирование относится к экспресс-методам определения механи­ческих свойств грунтов и применяется в целях ускоренного получения результатов исследований. Этот метод используется при изучении песчаных, глинистых и органогенных грунтов, которые не содержат или мало содержат примесей щебня или гальки. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое. При статическом зондировании конус в грунт залавливается плавно, а при динамическом его забивают молотом.

Статическое зондирование позволяет:

• расчленить толщу грунта на отдельные слои; определить глубину залегания скальных и крупнообломочных грунтов;

  • установить приблизительно плотность песков, консистенцию гли­ нистых грунтов, определить модуль деформации;

  • оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях и намывных образованиях;

Динамическое зондирование дает возможность определять:

  • мощность толщ современных (четвертичных) отложений;

  • границы между слоями;

  • степень уплотнения насыпных и намывных грунтов. На рис. 28 показана пенетрационно-каротажная станция.

Прочностные испытания грунтов. Оценка сопротивления грунтов сдвигу в полевых условиях выполняется как в скальных, так и в нескальных грунтах. Сопротивление грунтов сдвигу определяется пре­дельными значениями напряжений, при которых начинается их раз­рушение. В скальных грунтах опыты проводят в строительных котлованах, в которых оставляют целики в виде ненарушенного грунта столбчатого вида. К целикам прикладывают горизонтальное сдвигающее усилие. При этом для правильного определения внутреннего трения и удель­ного сцепления опыт проводят не менее, чем на трех столбчатых целиках.

Сдвиг в нескальных грунтах выполняют двумя способами: 1) на целиках; 2) с помощью вращательных срезов при кручении крыльчатки. Работа на целиках аналогична скальным грунтам. Крыльчатка пред­ставляет собой лопастной прибор и используется для определения сопротивления сдвигу в пылевато-глинистых грунтах. Крыльчатый четырехлопастной зонд опускают в забой скважины, вдавливают в грунт и поворачивают. При этом замеряют крутящий момент и рас­считывают сопротивление сдвигу.

Опытные строительные работы. При строительстве объектов I клас­са полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение. В ряде случаев прибегают к опытным строительным работам, т. е. к испытаниям грунтов строительными конструкциями. Приведем при­меры таких работ.

Опытные сваи. В пылевато-глинистый грунт строительной площад­ки забивают железобетонную сваю, при этом наблюдают за характером погружения сваи и сопротивляемостью грунта. На сваю дают нагрузку и определяют ее несущую способность, как в условиях природной влажности фунта, так и при его замачивании. Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными, полученными на основе лабора­торных исследований грунта.

Опытные фундаменты. Строят фундамент будущего здания в нату­ральную величину и на проектную глубину. На фундамент дают нагрузку, соответствующую нагрузке от будущего здания, и ведут наблюдения за сжатием грунта основания. Так определяется реальная несущая способность грунта и осадка будущего объекта.

Опытные здания. Лессовые грунты обладают просадочными свой­ствами. Количественную оценку этих свойств производят по данным лабораторных исследований и полевых испытаний грунтов. Несмотря на такую комплексную оценку просадочных свойств не всегда удается правильно оценить будущую устойчивость здания. Для решения этого вопроса строят здания в натуральную величину. Лессовые основания насыщают водой, что искусственно вызывает просадочный процесс. В этот период проводят наблюдения за характером развития просадочного процесса, определяют значения просадок, оценивают состояние конструкций зданий.

Обработка результатов исследований грунтов. Оценку свойств мас­сивов грунтов проводят на основе физико-механических характери­стик, которые получают по нормативным документам, в результате лабораторных исследований отдельных образцов грунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем точкам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания грунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистически обработать с целью получе­ния усредненных значений и установления их применимости для всего массива фунта. После такой обработки результаты исследований мож­но использовать в расчетах оснований. Такую работу чаще всего выполняют методом математической статистики.

Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидро­геологических исследованиях проводят за развитием неблагоприятных геологических процессов (карстом, оползнями и др.), режимом под­земных вод и температурным режимом многолетнемерзлых пород. Заключаются они в выборе характерных участков для наблюдений, установке сети реперов, инструментальных наблюдениях за их пере­мещением и т. д. Наблюдения ведут в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в период их проектирования. Продолжительность работ —до 1 года и более.

Свойства связных грунтов.

К связным грунтам относятся осадочные породы трех типов:

Наибольшее распространение на земной поверхности имеет мине­ральный тип, представленный глинистыми грунтами с водо-коллоидными связями между частицами. Земная кора практически повсеместно (не менее 60 % объема осадочных пород) покрыта глини­стыми образованиями. В эти образования входят три литологических разновидности: супеси, суглинки и глины.

Минеральные (глинистые) грунты. Этот тип грунтов характеризуется большой группой физических свойств: пористостью, влажностью; по­глотительной способностью; коррозионными и специфическими свой­ствами (пластичностью, консистенцией, липкостью, набуханием и садкой).

Глинистые грунты обычно залегают самостоятельными слоями, иногда в виде прослоев или линз в толщах других грунтов, что типично з основном озерным и речным отложениям. Мощность слоев очень разнообразна—от сантиметров до десятков и сотен метров. Глины стожены глинистыми минералами (до 95 %), среди которых преобла-zatoT гидрослюда, в качестве примесей присутствуют каолинит, монт­мориллонит и др. Иногда встречаются глины, в которых основное место занимают каолиниты или монтмориллонит. В суглинках кроме глини­стых минералов присутствуют (до 30—50 %) кварц, полевые шпаты и другие кластогенные минералы, имеющие размер пылеватых частиц. В составе супесей основное место занимают кластогенные зерна (кварц, долевые шпаты и др.), а глинистые минералы находятся в подчиненном -сложении (до 10—20 %).

Пористость п глинистых грунтов различна: супеси —10—15 %, суглинки—20—30%,глины—90—95% активность во взаимоотношениях с водой. В грунтах увеличивается влагоемкость, пластичность, сжатие под нагрузками и т. д.

Глинистые грунты, особенно в условиях влажного состояния, под нагрузками способны сжиматься, т. е. уплотняться. Сжатие происходит за счет уменьшения пористости. Вначале из пор вытесняется воздух, а потом свободная (жидкая) вода. Грунт при этом ведет себя как пластичное тело. Дальнейшее увеличение нагрузки принимает на себя минеральный скелет грунта. Если структура грунта не была разрушена, то после снятия нагрузки объем грунта может несколько увеличиться. Это связано с расклинивающим действием пленочной воды, которая восстанавливает толщину своих пленок и раздвигает частицы грунта.

ВлажностьW в глинистых грунтов. Вода в глинистых грунтах находится в порах, заполняя их полностью или частично. Природная влажность W – это общее количество воды, содержащееся в объеме грунта, т.е. весовое кол-во воды к весу грунта. Если поры грунта полностью заполнены водой, то его относят к водонасыщенным Wsat. Величина W может меняться за счет испарения, давления на грунт, притока воды из окружающей среды.

Поглотительная способность глинистых грунтов связана с активной поверхностью глинистых частиц, которая энергично взаимодействует с окружающей частицы средой. Наивысшей активностью отличаются глинистые частицы, которые несут на своей поверхности электрические заряды. Минералы, например, алюмосиликатного или состава имеют отрицательные заряды, а карбонаты — положительные.

Коррозионные свойства глинистых грунтов. Коррозия—это разру­шение строительных материалов и подземных металлических трубоп­роводов, расположенных в глинистых грунтах. Коррозия возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздейст­вия блуждающих электрических токов на поровый водно-солевой рас­твор. В этом процессе вода пор становится электролитом. Коррозионные разрушения наиболее типичны городским территориям, где развито трамвайное движение. При проектировании объектов против коррозии следует предусматривать меры защиты.

Специфические свойства глинистых грунтов. Вода и ее количество придает грунтам ряд особых свойств, которые принято называть спе­цифическими или «характерными». Это пластичность, липкость, набухание и усадка

Все эти свойства типичны глинистым грунтам и имеют большое значение при их строительной оценке.

Пластичность. Это способность глинистых грунтов под действием внешнего давления изменять свою форму без разрыва сплошности, т. е. без образования трещин, и сохранять полученную форму. Пластичные свойства обуславливаются наличием пленочной воды и проявляются только между двумя определенными значениями влажности. Меньшее значение называют нижним пределом пластичности или границей раскатывания Wр , а большее—верхним пределом пластичности, или границей текучести Wi. При влажности ниже Wр грунт находится в твердом состоянии, а когда влажность выше Wi —грунт растекается. Разница между значениями Wp и Wy называют числом пластичности Iр, (доли ед.) (рис. 30).

Консистенция тесно связана с пластичностью, отражает физическое состояние грунтов и показывает степень подвижности частиц в зави­симости от различного количества в грунтах воды. Консистенцию Jt определяют по формуле

Ii=(W-Wp)/( Wi-Wp)

По значениям Ii с помощью таблиц устанавливают, в каком состо­янии находится грунт, например, суглинки и глины могут иметь консистенцию твердую, полутвердую, тугопластичную, мягкопластич-ную, текучепластичную, текучую. Супеси бывают в твердом состоянии, пластичном и текучем (табл. 25).

Липкость (г/см2)—способность глинистых грунтов прилипать к поверхности предметов (колесам и тракам дорожных машин, к лопате и т. д.). Липкостью обладают грунты, которые находятся в пластичном состоянии и обуславливаются наличием пленочной воды, а в почвах также гидрофильного гумуса. Пески и супеси липкостью не обладают

Липкость определяют лабораторным путем. При строительных работах в период дождей она осложняет разработку котлованов и процесс уплотнения грунтов.

Набухание—способность глинистых грунтов увеличивать свой объем в результате увлажнения. Этот процесс свойственен, прежде всего глинам и тяжелым суглинкам. Набухающие грунты обычно залегают слоями и чаще всего встречаются на поверхности земли сухих районов. Мощность слоев набухающих глин обозначается Нsw.. За счет давления набухания грунтов здание деформируется.

Набухание грунтов происходит после соприкосновения с водой, если они были сухие или слабо влажные.

Наличие набухающих грунтов устанавливают в период инженерно-геологических изысканий. Если грунты являются набухающими, то при проектировании объектов необходимо предусматривать определенные мероприятия: 1) в надземной части зданий (увеличивать жесткость и прочность зданий) и 2) в грунтовом основании.

При строительстве на набухающих основаниях могут быть исполь­зованы следующие мероприятия

.

  • Водозащита вокруг зданий и сооружений для предотвращения проникновения в основания атмосферных и технических вод. Вокруг зданий устраивают широкие асфальтовые отмостки, канавы и лотки для отвода воды; надземные водонесущие коммуникации помещают в специальные каналы.

  • Устранение свойств набухания в пределах всей или части толщи грунта путем предпостроечного замачивания. Для промачивания грун­тов используют дренирующие скважины. Грунт провоцируется на набухание и в таком виде должен находиться весь период эксплуатации объекта. Следует отметить, что при этом в грунтах понижаются прочностные и деформативные характеристики. В связи с этим рекомен­дуется строить объекты с небольшими нагрузками.

  • Устройство компенсирующих подушек под всем зданием или фундаментами из слоя уплотненного грунта (песка, суглинка, глины). Это позволяет уменьшать до допустимого предела величину Рsw

  • Полная или частичная прорезка сборными фундаментами слоя набухающего грунта. При этом боковая часть фундаментов должна обсыпаться песком в целях устранения прилипания грунта к фундаментам.

  • Полная или частичная замена слоя набухающего грунта не набухаюшим грунтом. Этот способ экономически оправдан при набухаю­щих грунтах с небольшой мощностью слоев.

  • Увеличение давления от зданий на основание, чтобы оно было больше Рsw.

Необходимо отметить, что наибольший эффект при строительстве объектов на набухающих грунтах можно получить при сочетании нескольких мероприятий и при увеличении жесткости и прочности самих зданий.

Свойства почвы

Свойства почвы

Классификация почв

  • Почва классификация по размеру частиц.

  • Почва, которая Диаметр грунта менее 0,067 мм называется связным грунтом и состоит из глины и ил

  • Диаметр частиц почвы более 0,067 называется когезионным состоянием грунта и состоит из из песка, гравия и камня

Отдельный предел размера почвы как :

Камень> 60 мм

галечник крупнозернистый гравий 20 60 мм
средний гравий 6 20 мм
Мелкий гравий 2 6 мм
песок Крупнозернистый песок 0.6 2 мм
Средний песок 0,2 0,6 мм
Мелкий песок 0,06 0,2 мм
наносы Грубый ил 0.02 0. 06 мм
Средний ил 0,006 0,02 мм
Мелкий ил 0,002 0,006 мм

Глина <0,002

Эскиз классификации грунт по размеру диаметра показан на рис.(1)

  1. Органическая Почва

  2. Неорганическая Почва, которая состоит из связной почвы (глина - ил) и меньше связной почвы (песок - гравий - камень)

Свойства почвы :

Между почвой частицы есть внутренние силы, которые почва может предложить сопротивляться провал и скольжение длинной любой плоскости внутри него.Один из сплоченных прочность (C), а другой - угол внутреннего трения (φ).

Прочность сцепления ясно видны в связной почве, чем больше сцепление, тем меньше грунт называется это заставляет ..

Сплоченная почва называется почвой C и

Когезия меньше почвы называется φ почвы

Но почва в Вообще называется С ф почвой.

Определение почвы свойства (прочность на сдвиг) :

Прочность на сдвиг Параметры почвы могут быть определены в лаборатории в основном по трем типам испытаний. Прямое испытание на сдвиг, трехосное испытание и испытание на неограниченное сжатие.

1. Тест прямого сдвига :

Это самый старый и Простейшая форма теста на сдвиг.Испытательное оборудование состоит из металлической коробки сдвига в который образец размещен, как показано на рис. (2).

Коробка разделена горизонтально на две половины. Нормальная сила на образец прикладывается сверху коробки сдвига мертвым весом. Усилие сдвига приложено к стороне вершины половина коробки, чтобы вызвать сбой в образце почвы. Для данного теста. нормальное напряжение можно рассчитать как: -

σ = нормальное напряжение = =

и напряжение сдвига может рассчитать как:

τ = напряжение сдвига = =

σ 1 =

τ 1

=

Тест повторен более 3 время с другим значением для силы P (нормальная сила).Следует, что значение разности для силы T (поперечная сила).

Положите результаты в таблицу и эскиз, как показано на рис. (3).

Тест №

τ =

1 τ 1 σ 1
2 τ 2 σ 2
3 τ 3 σ3

Рис (3) A: Результаты в таблице сдвига стресс

Значение прочности на сдвиг может определяется как показано, где

φ = угол внутреннее трение.

C = когезия стресс или адгезия стресс

Уравнение для Средняя линия, полученная из экспериментальных результатов, называется законом Кулона.

S = C + σ загар φ

Где:

S: сдвиг сила

C: адгезия стресс

φ: трение угол

σ: нормальный стресс

1. Испытание на трехосное сжатие :

Испытание на трехосное сжатие является одним из наиболее распространенных методов определения Параметры прочности на сдвиг или C и φ для почвы.

размеры образца 1,5 и 3 в диаметре и длине, как показано на рис (4) образец заключен в тонкую резиновую мембрану и помещен внутрь пластика цилиндрическая камера, которая обычно заполнена водой, которая находится под давлением, На образец воздействует осевая нагрузка, которая вызывает осевое напряжение.Осевой приращение напряжения до разрушения образца и измерения осевой деформации по циферблату Δ σ, как показано на рис (5), образец почвы подвергается ограничивающему давлению со всех сторон σ 3 .

Где:

σ 3 = поры давление воды на ограничивающее напряжение

σ 1 = общее осевое напряжение при отказе

σ 3 = σ 3 + Cσ 1

Рис. (5): приложение напряжения

Где:

σ 3 : Давление поровой воды на ограничивающее напряжение

σ 1 : Общее осевое напряжение при отказе

σ 1 = σ 3 + Δ σ

в трехосном тест σ 1 является основным принципом стресса и σ 3 - незначительный стресс, несколько тестов на аналогичные образцы могут быть проведены путем изменения ограничивающего давления, с Основное и второстепенное основное напряжение при отказе для каждого конверта может быть получено следующее соотношение показывают рис.(6) и рис. (7)

Рис. (6): круг Мора

Тест № (1) (2) (3)

σ 3

′ Σ 3

" 3

′ "Σ 3

Δ σ

Δ′σ

Δ "σ

Δ ′ "σ

σ 1 ′ Σ 1 " 1 ′ "Σ 1

Рис (7): Таблица результатов

Как показано на рис. (6) план наклона провала Θ с основными принципиальная плоскость.

Θ = 45 +

Где:

φ: угол внутреннее трение

И прочность на сдвиг уравнение можно записать как

S = C + σ загар φ

Пример :

Трехосный Испытание на сжатие было проведено, и результаты были следующими.Определить сдвиг прочностные показатели грунта.

300 200 100

Давление в ячейке σ 3 кН / м 2

280 205 130

девиатор Напряжение при разрушении Δ σ

Решение :

300 200 100 σ 3 кН / м 2
280 205 130 Δ σ кН / м 2
580 405 230 σ 1 знак равно σ 3 + Δ σ

Рис (8): с кривой мы можем измерить C и Q

3. Тест неограниченного сжатия :

Это особый тип теста используется для образца глины, как показано на рис. (9), где φ = 0 в этом тесте сдерживающее давление σ 3 ноль, осевая нагрузка быстро прикладывается, чтобы вызвать отказ, при отказе незначительный главное напряжение σ 3 = 0 и главный главный стресс σ 1 , соотношение между напряжениями, сдвигом и нормалью, как показано на рис.(10). Таким образом, неограниченная сила сцепления составляет (Cu).

Рис. (9): Неограниченное сжатие Тест

Cu = = = т

Где:

σ 1 = незначительный стресс, называемый неограниченным стрессом q u

Рис.(10): подчеркивает отношения для неограниченный тест на сжатие.

,
Прочность на сдвиг (грунт) - Википедия переиздано // WIKI 2
Типичная кривая напряжения-деформации для дренированной дилатантной почвы

Прочность на сдвиг - это термин, используемый в механике грунта для описания величины напряжения сдвига, которое может выдержать почва. Сопротивление сдвигу почвы является результатом трения и сцепления частиц и, возможно, цементации или сцепления на контактах частиц. Из-за блокировки материал в виде частиц может расширяться или сокращаться в объеме, поскольку он подвержен сдвиговым деформациям.Если почва расширяет свой объем, плотность частиц уменьшится, а прочность уменьшится; в этом случае максимальная прочность будет сопровождаться уменьшением напряжения сдвига. Отношение напряжение-деформация выравнивается, когда материал перестает расширяться или сжиматься, и когда межчастичные связи разрушаются. Теоретическое состояние, при котором напряжение сдвига и плотность остаются постоянными, в то время как напряжение сдвига увеличивается, можно назвать критическим состоянием, устойчивым состоянием или остаточной прочностью.

Линия критического состояния разделяет дилатант и сжимающее состояние для почвы

Характер изменения объема и межчастичное трение зависят от плотности частиц, межзеренных контактных сил и, в несколько меньшей степени, других факторов, таких как скорость сдвига и направление напряжения сдвига.Среднее нормальное межзеренное контактное усилие на единицу площади называется эффективным напряжением.

Если вода не может течь в почву или из нее, путь напряжения называется необработанным напряжением пути . Во время неосушенного сдвига, если частицы окружены почти несжимаемой жидкостью, такой как вода, плотность частиц не может измениться без дренажа, но давление воды и эффективное напряжение изменятся. С другой стороны, если жидкостям позволено свободно вытекать из пор, то давление пор будет оставаться постоянным, и испытательный путь называется дренажным напряжением.Почва может свободно расширяться или сжиматься во время сдвига, если почва осушена. В действительности, почва частично осушена, где-то между идеально неосушенными и осушенными идеализированными условиями.

Прочность на сдвиг грунта зависит от эффективного напряжения, условий дренажа, плотности частиц, скорости деформации и направления деформации.

Для неосушенного, постоянного объема сдвига теория Tresca может использоваться для прогнозирования прочности на сдвиг, но для дренированных условий может использоваться теория Мора – Кулона.

Две важные теории сдвига грунта - теория критического состояния и теория устойчивого состояния. Существуют ключевые различия между состоянием критического состояния и условием стационарного состояния, и полученная теория соответствует каждому из этих условий.

Энциклопедия YouTube

  • 1/5

    Просмотров:

    25 012

    9 558

    37 970

    9 355

    125 498

  • ✪ Прочность почвы на сдвиг

  • ✪ Прочность почвы на сдвиг | Механика грунтов

  • St Прочность на сдвиг осушенной и неподготовленной почвы

  • ✪ Основные сведения о прочности почвы

  • ✪ CE 326 Mod 12.Испытание на трехосный сдвиг 9b

Содержание

Факторы, контролирующие прочность на сдвиг почв

На отношение напряжения к деформации почв и, следовательно, прочность на сдвиг влияет (Poulos 1989):

  1. состав почвы (основной материал почвы) : минералогия, размер зерна и гранулометрический состав, форма частиц, тип и содержание поровой жидкости, ионы на зерне и в поровой жидкости.
  2. Состояние (начальное) : определяется начальным соотношением пустот, эффективным нормальным напряжением и напряжением сдвига (история напряжений).Состояние можно описать такими терминами, как: рыхлый, плотный, чрезмерно уплотненный, нормально уплотненный, жесткий, мягкий, сжимающий, расширяющий и т. Д.
  3. структура: Относится к расположению частиц в массе почвы; способ, которым частицы упакованы или распределены. Такие элементы, как слои, суставы, трещины, скользкие поверхности, пустоты, карманы, цементация и т. Д., Являются частью структуры. Структура почв описывается такими терминами, как: ненарушенный, нарушенный, припаянный, уплотненный, цементированный; хлопьевидный, медовый, однозернистый; флокулированный, дефлокулированный; слоистый, слоистый, ламинированный; изотропный и анизотропный.
  4. Условия нагружения: Эффективная траектория напряжения, т. Е. Дренированная и не дренированная; и тип нагрузки, то есть величина, скорость (статическая, динамическая) и временная история (монотонная, циклическая).
  5. Ограничивающее напряжение также влияет на прочность на сдвиг грунта, так как требуется большее отклоняющее напряжение для разрушения в случае почвы под высоким ограничивающим давлением. [1]

Неподготовленная сила

Этот термин описывает тип прочности на сдвиг в механике грунта в отличие от прочности на дренаж.

Концептуально, нет такой вещи, как недренированной прочности почвы. Это зависит от ряда факторов, основными из которых являются:

  • Ориентация напряжений
  • Стрессовая дорожка
  • Скорость сдвига
  • Объем материала (например, для трещиноватых глин или горной массы)

Неподготовленная сила обычно определяется теорией Трески, основанной на круге Мора, как:

σ 1 - σ 3 = 2 S u

Где:

σ 1 является основным основным напряжением

σ 3 является второстепенным основным напряжением

τ {\ displaystyle \ tau} прочность на сдвиг 1 - σ 3 ) / 2

отсюда, τ {\ displaystyle \ tau} = S u (или иногда c u ), недренированная сила.

Обычно используется в анализах предельного равновесия, когда скорость нагружения намного больше, чем скорость, при которой давление поровой воды, возникающее в результате воздействия сдвига почвы, может рассеиваться. Примером этого является быстрая загрузка песка во время землетрясения или разрушение глинистого склона во время сильного дождя, и это относится к большинству аварий, которые происходят во время строительства.

Как следствие недренированного состояния, эластичные объемные деформации не возникают, и, таким образом, коэффициент Пуассона предполагается равным 0.5 на всем протяжении стрижки. Модель почвы Tresca также предполагает отсутствие пластических объемных деформаций. Это имеет значение в более сложных анализах, таких как анализ методом конечных элементов. В этих современных методах анализа модели почвы, отличные от Tresca, могут использоваться для моделирования недренированного состояния, включая модели Мора-Кулона и критического состояния почвы, такие как модифицированная модель Cam-clay, при условии, что коэффициент Пуассона поддерживается на уровне 0,5.

Одним из соотношений, широко используемых практикующими инженерами, является эмпирическое наблюдение, согласно которому отношение прочности на сдвиг недренированного c к первоначальному напряжению уплотнения p 'приблизительно является константой для данного коэффициента переуплотнения (OCR).Это соотношение было впервые формализовано (Henkel 1960) и (Henkel & Wade 1966), которые также расширили его, чтобы показать, что характеристики деформации деформированных глин могут быть нормализованы относительно исходного напряжения уплотнения. Постоянная связь c / p также может быть получена из теории как для критического состояния [ необходимо цитирование ] , так и для стационарной механики грунта (Joseph 2012). Это фундаментальное свойство нормализации кривых напряжения-деформации встречается во многих глинах и было уточнено в эмпирическом методе SHANSEP (история напряжений и нормализованные инженерные свойства грунта).(Лэдд & Foott 1974).

Прочность на сдвиг

Прочность на сдвиг - это прочность на сдвиг грунта, когда давления поровой жидкости, возникающие в процессе сдвига почвы, могут рассеиваться во время сдвига. Это также относится к случаям, когда в почве нет поровой воды (почва сухая) и, следовательно, давление поровой жидкости незначительно. Обычно аппроксимируется с помощью уравнения Мора-Кулона. (Он был назван «уравнением Кулона» Карлом фон Терзаги в 1942 году.) (Terzaghi 1942) сочетал это с принципом эффективного стресса.

С точки зрения эффективных напряжений прочность на сдвиг часто аппроксимируется:

τ {\ displaystyle \ tau} = σ 'tan (φ') + c '

Где σ '= (σ - u) , определяется как эффективное напряжение. σ - общее напряжение, приложенное в норме к плоскости сдвига, а u - давление поровой воды, действующее в той же плоскости.

φ ' = эффективный угол трения при напряжении или «угол внутреннего трения» после кулоновского трения.Коэффициент трения μ {\ displaystyle \ mu} равно tan (φ '). Могут быть определены различные значения угла трения, включая пиковый угол трения, φ ' p , угол трения в критическом состоянии, φ' cv или остаточный угол трения, φ ' r .

c '= называется когезией, однако обычно она возникает в результате принуждения прямой линии проходить через измеренные значения (τ, ​​σ'), даже если данные фактически попадают на кривую. Пересечение прямой на оси напряжения сдвига называется когезией.Хорошо известно, что результирующий перехват зависит от диапазона рассматриваемых напряжений: он не является фундаментальным свойством почвы. Кривизна (нелинейность) оболочки разрушения происходит потому, что дилатансия плотно упакованных частиц почвы зависит от ограничивающего давления.

Теория критических состояний

Более глубокое понимание поведения грунта, подвергающегося сдвигу, привело к развитию теории критического состояния механики грунта (Roscoe, Schofield & Wroth 1958).В критическом состоянии механика грунта определяется отличная прочность на сдвиг, когда почва, подвергающаяся сдвигу, делает это в постоянном объеме, также называемом «критическим состоянием». Таким образом, есть три обычно идентифицированные силы сдвига для почвы, подвергающейся сдвигу:

  • Пиковая прочность τ {\ displaystyle \ tau} р
  • Критическое состояние или постоянная объемная сила τ {\ displaystyle \ tau} резюме
  • Остаточная прочность τ {\ displaystyle \ tau} р

Пиковая прочность может возникать до или в критическом состоянии, в зависимости от исходного состояния стриженных частиц почвы:

  • Рыхлый грунт сжимается по объему при сдвиге и может не развивать какую-либо пиковую прочность выше критического состояния.В этом случае «пиковая» прочность будет совпадать с прочностью на сдвиг критического состояния, как только почва перестанет сокращаться в объеме. Можно утверждать, что такие почвы не имеют отчетливой «пиковой прочности».
  • Плотный грунт может слегка сжиматься, прежде чем зернистая блокировка предотвратит дальнейшее сжатие (зернистая блокировка зависит от формы зерен и их начального расположения упаковки). Чтобы продолжить сдвиг после того, как зернистая блокировка произошла, почва должна расширяться (увеличиваться в объеме).Поскольку для расширения почвы требуется дополнительная сила сдвига, возникает «пиковая» прочность. Как только эта пиковая прочность, вызванная дилатацией, преодолевается путем постоянного сдвига, сопротивление, оказываемое почвой приложенному сдвиговому напряжению, снижается (так называемое «смягчение деформации»). Размягчение деформации будет продолжаться до тех пор, пока не будут происходить дальнейшие изменения объема почвы при продолжающемся сдвиге. Пиковые значения прочности также наблюдаются в сверхуплотненных глинах, где естественная ткань почвы должна быть разрушена до достижения постоянного объема сдвига.Другие эффекты, которые приводят к пиковым силам, включают цементацию и связывание частиц.

Считается, что прочность на сдвиг постоянного объема (или критического состояния) является внешней по отношению к почве и не зависит от начальной плотности или расположения упаковки зерен почвы. Говорят, что в этом состоянии срезаемые зерна «кувыркаются» друг с другом, при этом не наблюдается значительного развития зернистой блокировки или скользящей плоскости, что влияет на сопротивление сдвигу. На этом этапе никакая унаследованная ткань или склеивание зерен почвы не влияет на прочность почвы.

Остаточная прочность возникает для некоторых почв, где форма частиц, из которых состоит почва, выравнивается во время сдвига (образуя скользкую поверхность), что приводит к снижению устойчивости к продолжению сдвига (дальнейшее смягчение деформации). Это особенно верно для большинства глин, которые содержат пластинчатые минералы, но также наблюдается в некоторых гранулированных почвах с зернами более удлиненной формы. Глины, которые не имеют пластинчатых минералов (таких как аллофановые глины), не имеют остаточной прочности.

Использование на практике: если нужно принять теорию критического состояния и взять с '= 0; τ {\ displaystyle \ tau} p может использоваться при условии, что уровень ожидаемых деформаций принимается во внимание, и учитываются эффекты потенциального разрыва или деформации, смягчающие до прочности критического состояния. Для деформации при больших деформациях следует учитывать возможность образования скользящей поверхности с φ ' r (например, при забивании свай).

Критическое состояние возникает при квазистатической скорости деформации.Это не учитывает различия в прочности на сдвиг, основанные на разных скоростях деформации. Также в критическом состоянии нет выравнивания частиц или определенной структуры почвы.

Практически сразу после того, как концепция критического состояния была впервые введена, она подверглась большой критике - главным образом из-за ее неспособности сопоставить легкодоступные данные испытаний при тестировании широкого спектра грунтов. Это связано прежде всего с неспособностью теории объяснить структуру частиц. Основным следствием этого является неспособность смоделировать после пика размягчения деформации, обычно наблюдаемого в сжимающихся почвах, которые имеют анизотропные формы / свойства зерен.Кроме того, обычно делается предположение, чтобы сделать модель математически управляемой, заключается в том, что напряжение сдвига не может вызывать объемную деформацию, а объемное напряжение не вызывает сдвиговой деформации. Поскольку в действительности это не так, это является дополнительной причиной плохого совпадения с легкодоступными данными эмпирических испытаний. Кроме того, в упругопластических моделях критического состояния предполагается, что упругие деформации приводят к изменениям объема. Поскольку это также не относится к реальным почвам, это допущение приводит к плохой адаптации к объему и данным изменения порового давления.

Устойчивое состояние (динамические системы на основе сдвига грунта)

Уточнение концепции критического состояния - это концепция устойчивого состояния.

Прочность в стационарном состоянии определяется как прочность на сдвиг грунта, когда он находится в устойчивом состоянии. Состояние устойчивого состояния определяется (Poulos 1981) как «то состояние, в котором масса непрерывно деформируется при постоянном объеме, постоянном нормальном эффективном напряжении, постоянном напряжении сдвига и постоянной скорости». Steve J.Пулос, в то время доцент кафедры механики грунта Гарвардского университета, выдвинул гипотезу, которую Артур Касагранде формулировал к концу своей карьеры. Состояние устойчивого состояния не совпадает с условием «критического состояния».

Стационарное состояние возникает только после разрушения всех частиц, если оно завершено, и все частицы ориентированы в статически устойчивом состоянии, и поэтому напряжение сдвига, необходимое для продолжения деформации с постоянной скоростью деформации, не изменяется.Это относится как к истощенному, так и к необученному делу.

Стационарное состояние имеет немного другое значение в зависимости от скорости деформации, при которой оно измеряется. Таким образом, прочность на сдвиг в стационарном состоянии при квазистатической скорости деформации (скорость деформации, при которой определено критическое состояние), по-видимому, соответствует прочности на сдвиг в критическом состоянии. Тем не менее, есть дополнительное различие между двумя государствами. Это связано с тем, что в стационарном состоянии зерна располагаются в стационарной структуре, в то время как для критического состояния такой структуры не существует.В случае сдвига к большим деформациям для почв с вытянутыми частицами эта устойчивая структура является структурой, в которой зерна ориентированы (возможно, даже выровнены) в направлении сдвига. В случае, когда частицы строго выровнены в направлении сдвига, установившееся состояние соответствует «остаточному условию».

Три распространенных заблуждения относительно стационарного состояния состоят в том, что а) оно совпадает с критическим состоянием (это не так), б) что оно применимо только к недренированному случаю (оно применимо ко всем формам дренажа), и в) что это не относится к пескам (это относится к любому сыпучему материалу).Учебник по теории установившегося состояния можно найти в докладе Пулоса (Poulos 1971). Его использование в землетрясении подробно описано в другой публикации Poulos (Poulos 1989).

Различие между устойчивым состоянием и критическим состоянием - это не просто семантика, как иногда думают, и неправильно использовать эти два термина / понятия взаимозаменяемо. Дополнительные требования строгого определения установившегося состояния сверх критического состояния, а именно.постоянная скорость деформации и статистически постоянная структура (стационарная структура) помещает стационарное состояние в рамки теории динамических систем. Это строгое определение стационарного состояния использовалось для описания сдвига грунта как динамической системы (Joseph 2012). Динамические системы вездесущи в природе (например, Великое Красное Пятно на Юпитере), и математики широко изучали такие системы. В основе динамической системы сдвига грунта лежит простое трение (Joseph 2017).

См. Также

Список литературы

  • Хейман, J. (1972), Кулоновские мемуары по статике , издательство Кембриджского университета, ISBN 978-1-86094-056-9
  • Хенкель, диджей (1960), «Неизученная прочность на сдвиг анизотропно-консолидированных глин», Специальная конференция ASCE по прочности на сдвиг связных почв, Университет Колорадо, Боулдер, Колорадо, 13-17 июня, , с. 533–554.
  • Henkel, D.J .; Уэйд, Н. Х. (1966), "Испытания на деформацию самолета на насыщенной литой глине", Журнал Отделения механики грунтов и фундаментов, ASCE , 92 (SM 6), с. 67–80
  • Джозеф, П.Г. (2012), «Физические основы и валидация конститутивной модели для сдвига почвы, полученного из микроструктурных изменений» (PDF), Международный журнал геомеханики , 13 (4), с. 365– 383, дои: 10.1061 / (ASCE) GM.1943-5622.0000209
  • Джозеф П.G. (2017), Механика грунта на основе динамических систем , Лейден: CRC Press / Balkema, p. 138, ISBN 9781138723221
  • Оксфордский словарь национальной биографии , 1961-1970, с. 894–896
  • Пулос, С.Дж. (1971), «Кривая напряжения и деформации почв» (PDF), Внутренний отчет GEI , заархивированный из оригинала (PDF) 19 октября 2016 года
  • Poulos, S.J. (1981), "Устойчивое состояние деформации", Journal of Geotechnical Engineering , 107 (GT5), pp.553–562
  • Poulos, S.J. (1989), Jansen, R.B. (ed.), «Феномены, связанные с разжижением» (PDF), Advanced Dam Engineering для проектирования , Ван Ностранд Рейнхольд, с. 292–320
  • Roscoe, K. H .; Schofield, A. N .; Wroth, C.P. (1958), "О урожайности почв", Geotechnique , 8 , с. 22–53, doi: 10.1680 / geot.1958.8.1.22
  • Schofield, A.N. (1998), Luong (ed.), "Ошибка Мора-Кулона", Mechanics and Geotechnique , LMS Ecole Polytechnique, pp.19–27
  • Терзаги К. (1942), Теоретическая механика грунта , Нью-Йорк: Wiley, ISBN 978-0-471-85305-3

Внешние ссылки

\tau Последний раз эта страница редактировалась 20 марта 2020 года, в 06:05. ,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о