Автор 2.6. Прочность грунтов
Прочность грунтов – это их способность сопротивляться разрушению. В инженерно-геологических целях важно знать механическую прочность грунтов, т.е. способность сопротивляться разрушению под воздействием механических напряжений. Если деформационные характеристики определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т.е. до критических), то параметры прочности грунтов определяются при нагрузках, приводящих к разрушению грунта (т.е. предельных).
Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между частицами, т.е. зависит от прочности структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между частицами грунта, тем выше его прочность в целом. Установлено, что разрушение грунта происходит при сдвиге одной его части по другой под действием касательных напряжений от внешней нагрузки. Грунт оказывает при этом сопротивление сдвигающим усилиям: в несвязных грунтах это сопротивление внутреннего трения, а для связных грунтов, кроме того, сопротивление сил сцепления.
Параметры прочности чаще определяют в лабораторных условиях на одноплоскостных приборах прямого среза и стабилометрах. Схема прибора прямого среза изображена на рис. 2.13. Он представляет собой обойму из двух металлических колец, между которыми оставлен зазор (около 1 мм). Нижнее кольцо укреплено неподвижно, верхнее может смещаться горизонтально.
Испытания проводят
на нескольких образцах, предварительно
уплотненных разными вертикальными
давлениями р.
Величина нормального напряжения σ от нагрузки уплотнения составит 
, гдеA – площадь образца. Затем ступенями
прикладываем горизонтальные нагрузки Т,
под действием которых в зоне ожидаемого
сдвига развиваются касательные напряжения 
наступает предельное равновесие и
происходит перемещение верхней части
образца по нижней. За предельное
сопротивление грунта сдвигу принимают
касательные напряжения от той ступени
загружения, при которой развитие
деформаций сдвига не прекращается. При сдвиге
(одноплоскостном срезе) прочность грунта
зависит от соотношения нормального
сжимающего 
и касательного сдвигающего
напряжений, действующих на одной
площадке: чем больше вертикальная
сжимающая нагрузка на образец грунта,
тем большее сдвигающее напряжение надо
приложить к образцу для его среза.
Взаимосвязь предельных касательных и
нормальных напряжений
tg + c, (2.22)
где 
– угол внутреннего трения, град; tg
– коэффициент внутреннего трения;с – сцепление, МПа. Здесь 
равен углу наклона прямой в координатах
,
а величина сцепленияс равна отрезку, отсекаемому на оси 
,
т.е. при
(рис. 2.14). Для сыпучих грунтов, не обладающих
сцеплением (с = 0), закон
Кулона упрощается:
tg . (2.23)
Таким образом, 
ис являются параметрами прочности грунта
на сдвиг.
С углом внутреннего
трения 
в некоторых случаях отождествляетсяугол
естественного откоса 
,
определяемый у несвязных грунтов. Углом
естественного откоса называется угол наклона поверхности
свободно насыпанного грунта к
горизонтальной плоскости. Он формируется
за счет сил трения частиц.
При
трехосном сжатии прочность грунта
зависит от соотношения главных нормальных
напряжений
и
и
получают из опыта. Испытания на
трехосное сжатие проводят по такой
схеме соотношения главных напряжений,
когда 
>
.
В этом случае зависимость
строится с помощью кругов Мора, радиус
которых(рис. 2.16). Проводя испытания на трехосное
сжатие грунта не менее двух образцов и
построив с помощью кругов Мора предельную
огибающую к ним вида
ис,
которые в условиях трехосного сжатия
являются параметрами прочности грунта.Давление связности (суммарно заменяющее действие сил сцепления и трения) определяется по формуле
ctg
Для главных напряжений условие Кулона-Мора имеет вид
. (2.24)
studfiles.net
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.
rfund.ru
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.
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.
studfiles.net
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) | |||
studfiles.net
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: 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Клейкость или липкость грунтов — способность почвы при определенном количестве воды в нем прилипать к инструментам и строениям.
- 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.
moifundament.ru
4.Сопротивление грунтов сдвигу . Прочностные характеристики грунтов.
Изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных инженерных сооружений, имеет большое значение для правильного расчета устойчивости оснований (несущей способности оснований), оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов.
В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления глинистых пород сдвигу. Одни исследователи считают, что сопротивление глинистых пород сдвигу обусловлено только сцеплением между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления. Другие полагают, что сопротивление глинистых пород сдвигу зависит как от сил трения, так и от сил сцепления. Показателями сил трения, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения.
Вследствие неясности природы сопротивления глинистых пород сдвигу и условности разделения его на внутреннее трение и сцепление, некоторые исследователи предлагают вообще отказаться от такого разделения и характеризовать сопротивление глинистых пород сдвигу так называемым углом сдвига φ соответственно тангенс этого угла называют коэффициентом сдвига tgφ.
Сопротивление сдвигу одного и того же грунта непостоянно и зависит от физического состояния грунта — степени нарушенности естественной структуры, плотности, влажности, а также от условий производства испытаний (конструкция прибора, размеры образца, скорость сдвига и т. д.). Для получения наиболее достоверных данных испытания на сдвиг должны всегда проводиться в условиях, максимально приближающихся к условиям работы грунта под сооружением или в самом сооружении.
Показатели сопротивления грунта сдвигу определяются различными способами, среди которых можно выделить три группы:
• способы определения сопротивления сдвигу по одной или двум заранее фиксированным плоскостям в сдвиговых приборах;
• способы определения сопротивления сдвигу путем раздавливания при одноосном и трехосном сжатии;
• способ определения сопротивления сдвигу по углу естественного откоса.
Способы первой группы могут быть в свою очередь разделены на две подгруппы:
а) способы поперечного сдвига с конечной плоскостью сдвига;
б) способы кольцевого сдвига с бесконечной (замкнутой) плоскостью сдвига.
Лабораторные испытания грунтов для определения показателей трения и сцепления способом поперечного сдвига производят путем среза нескольких образцов исследуемого грунта. При этом в зависимости от характера предварительной подготовки образцов к опыту различают:
а) сдвиг нормально уплотненных образцов (завершенное уплотнение), когда образцы перед опытом предварительно уплотняются под разными нагрузками до окончания процесса консолидации; срез каждого образца производится при той же вертикальной нагрузке, под которой он предварительно уплотнялся;
б) сдвиг переуплотненных образцов, когда образцы предварительно уплотняются до окончания процесса консолидации, а сдвигаются без нагрузки или при меньших нагрузках;
в) сдвиг недоуплотненных образцов (незавершенное уплотнение), когда образцы предварительно не уплотняются или уплотняются в продолжение короткого времени, за которое не наступает полная консолидация; срез производится при различных вертикальных нагрузках.
В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия в процессе опыта различают медленный сдвиг и быстрый сдвиг. При медленном сдвиге сдвигающую силу увеличивают только после прекращения деформации, вызванной предыдущей ступенью этой силы. При быстром сдвиге увеличение сдвигающей силы производят быстро, не дожидаясь прекращения деформаций
Прочностные характеристики грунтов.
Показатели физических свойств грунтов определяются либо на отобранных в натуре в массиве образцах грунтов, либо непосредственно путем испытания грунтов, находящихся в грунтовом массиве, то есть в полевых условиях. При испытаниях следует выполнять требования соответствующих ГОСТов, если они имеются, или ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования.
Минимально достаточным для последующего осреднения результатов в математической статистике принято считать 6 определений. Однако, чем большее количество результатов определений введено в формулу для статистического нахождения среднего значения, тем «точнее» оказывается результат. В обработку вводятся результаты одной статистической совокупности, характеризующей данный массив. Если прослеживается закономерность в изменении частных интересующих нас значений показателя от точки к точки в одном направлении, то тогда их нельзя обычным путем вводить в одну статистическую совокупность.
Показатели (характеристики) физических свойств грунтов определяются как нормативные.
Нормативными считаются средние значения показателей или характеристик, определяемые как среднеарифметические.
Виды испытаний прочностных характеристик грунтов:
Испытания на сдвиговом приборе – при прямом плоскостном срезе цилиндрического образца грунта выполняется в лабораторных условиях.
Испытания в приборе трехосного сжатия (стабилометре). Методика проведения испытаний с наибольшей полнотой отражает работу грунта в основании. При загружении грунта в приборе создается трехосное напряженное состояние с измерением каждого компонента напряжения. Конструкция прибора позволяет определить: нейтральное или поровое давление по манометру, продольную и поперечную деформацию образца, изменение объема образца по валюмометру.
Помимо прочностных характеристик на этом приборе можно определить деформационные характеристики (коэффициент Пуассона, модуль деформации).
Испытания при одноосном сжатии. Проводятся для тугопластичных и твердых глин, которые хорошо сохраняют форму после обработки образцов. Образцы изготавливают в форме цилиндра с соотношением размеров h=(1,5 – 2,0) d. Разрушение образцов будет происходить как у хрупких материалов по плоскости, где касательные напряжения достигают предельного сопротивления сдвигу. Угол наклона этой плоскости стремится к 45 градусов.
Лопастные испытания – проводятся в полевых условиях для грунтов, из которых трудно отбирать образцы без нарушения природного строения (торф, илы, глинистые водонасыщенные грунты). Для испытания откапывается небольшой шурф, в грунт вдавливается крестовина прибора и фиксируется крутящий момент, при котором происходит срез грунта лопастью по цилиндрической поверхности. Результаты испытаний используются для расчета ула внутреннего трения и сцепления.
Метод шарикового штампа. Применяется для определения сцепления для связных грунтов (глинистых) и вязких (льдистых, вечномерзлых). Испытания состоят во вдавливании в исследуемый грунт сферического штампа постоянной нагрузкой Р и измерении во времени осадки S. Расчетное сопротивление вычисляется по формуле:
, где В – диаметр штампа.
Испытания на сдвиг в шурфах. Применяются в основном для крупнообломочных грунтов, из которых невозможно отобрать для лабораторных испытаний. Эти испытания аналогичны испытаниям в сдвиговом приборе.
18. Деформационные характеристики грунтов с жесткими связями (модуль Юнга, коэффициент Пуассона).
19. Понятия сцепления и внутреннего трения.
studfiles.net
1.5. Прочность грунтов
Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разрушение грунта [4]. Соотношение между предельными касательными τ и нормальными к площадкам сдвига σ напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора
Цытович И.А. Механика грунтов
τ = σ tgφ + c,
(1.5)где φ — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.
Характеристики прочности φ и с определяют в лабораторных и полевых условиях. Для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать значения φ и с по табл. 1.17 и 1.18.
ТАБЛИЦА 1.17. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИИ c, кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ, град, ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ
| Песок | Характеристика | Значения с и φ при коэффициенте пористости e | |||
| 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | ||
| Гравелистый и крупный | с φ | 2 43 | 1 40 | 0 38 | – – |
| Средней крупности | с φ | 3 40 | 2 38 | 1 35 | – – |
| Мелкий | с φ | 6 38 | 4 36 | 2 32 | 0 28 |
| Пылеватый | с φ | 8 36 | 6 34 | 4 30 | 2 26 |
Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварцевым пескам (см. табл. 1.12).
ТАБЛИЦА 1.18. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИЯ c, кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ, град, ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
| Грунт | Показатель текучести | Характеристика | Значения с и φ при коэффициенте пористости е | ||||||
| 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | |||
| Супесь | 0 < IL ≤ 0,25 | с φ | 21 30 | 17 29 | 15 27 | 13 24 | – – | – – | – – |
| 0,25 < IL ≤ 0,75 | с φ | 19 28 | 15 26 | 13 24 | 11 21 | 9 18 | – – | – – | |
| Суглинок | 0 < IL ≤ 0,25 | с φ | 47 26 | 37 25 | 31 24 | 25 23 | 22 22 | 19 20 | – – |
| 0,25 < IL ≤ 0,5 | с φ | 39 24 | 34 23 | 28 22 | 23 21 | 18 19 | 15 17 | – – | |
| 0,5 < IL ≤ 0,75 | с φ | – – | – – | 25 19 | 20 18 | 16 16 | 14 14 | 12 12 | |
| Глина | 0 < IL ≤ 0,25 | с φ | – – | 81 21 | 68 20 | 54 19 | 47 18 | 41 16 | 36 14 |
| 0,25 < IL ≤ 0,5 | с φ | – – | – – | 57 18 | 50 17 | 43 16 | 37 14 | 32 11 | |
| 0,5 < IL ≤ 0,75 | с φ | – – | – – | 45 15 | 41 14 | 36 12 | 33 10 | 29 7 | |
Примечание. Значения с и φ не распространяются на лёссовые грунты.
1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях
В практике исследований грунтов применяют метод среза грунта по фиксированной плоскости в приборах одноплоскостного среза. Для получения φ и с необходимо провести срез не менее трех образцов грунта при различных значениях вертикальной нагрузки. По полученным в опытах значениям сопротивления срезу τ строят график линейной зависимости τ = f(σ) и находят угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Зависимость сопротивления срезу грунта τ от нормального напряжения σ
Различают две основные схемы опыта: медленный срез предварительно уплотненного до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание).
Значения φ и с, полученные по методике медленного консолидированного среза, используются для определения расчетного сопротивления грунта, а также для оценки несущей способности основания, находящегося в стабилизированном состоянии (все напряжения от внешней нагрузки восприняты скелетом грунта). Значения φ и с, полученные по методике быстрого неконсолидированного среза, используются для определения несущей способности медленно уплотняющихся водонасыщенных суглинков и глин, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов. В таких грунтах возможно возникновение нестабилизированного состояния (наличие избыточного давления в поровой воде) вследствие их медленной консолидации или быстрой передачи нагрузки от сооружения (силосы, резервуары, склады сырья и т.п.).
Метод определения характеристик прочности φ и с в условиях трехосного сжатия в большей степени соответствует напряженному состоянию грунта в основании сооружения. Испытание проводится на приборе, в котором образец грунта подвергается всестороннему гидростатическому давлению и добавочному вертикальному (осевому). Для определения прочностных характеристик грунтов проводят серию испытаний при различных соотношениях давлений, доводя образец до разрушения, в результате каждого опыта получают значения наибольшего σ1 и наименьшего σ3 главных нормальных напряжений в момент разрушения. Графически зависимость между главными касательными и нормальными напряжениями представляют с помощью кругов Мора, каждый из которых строится на разности напряжений σ1 и σ3(рис. 1.6).
Рис. 1.6. Круги Мора по результатам испытания грунта в приборе трехосного сжатия
Общая касательная к этим кругам удовлетворяет условию прочности (1.5) и позволяет определить характеристики φ и с.
В приборах трехосного сжатия проводят следующие испытания:
- – недренированное — дренирование воды из образца грунта отсутствует в течение всего опыта;
- – консолидировано-недренированное — дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления и образец полностью уплотняется, в процессе приложения осевых нагрузок дренирование отсутствует;
- – дренированное — дренирование обеспечивается в течение всего испытания.
Недренированные испытания водонасыщенных грунтов проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через общие (тотальные) напряжения. Дренированные испытания проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через эффективные напряжения. При этом в процессе опыта должно быть достигнуто полностью консолидированное состояние грунта. Прочностные характеристики грунтов, выражаемые через эффективные напряжения, могут быть определены также для образцов грунта, испытанных в неполностью консолидированном состоянии, при условии измерения в процессе опыта давления в поровой воде.
Количественной характеристикой прочности скальных грунтов является предел прочности на одноосное сжатие Rc, определяемый раздавливанием образца грунта и вычисляемый по формуле
Rс = P/F,
(1.6)где Р — нагрузка в момент разрушения образца грунта; F — площадь поперечного сечения образца грунта.
1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях
Полевое испытание на срез в заданной плоскости целика грунта, заключенного в кольцевую обойму, аналогично лабораторному испытанию на срез в одноплоскостных срезных приборах. Испытания проводятся в шурфах, котлованах, штреках и т.д. Для получения характеристик φ и с определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения φ и с находят на основе построения зависимости (1.5), как это показано на рис. 1.5.
Полевое определение характеристик φ и с в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 1.7. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза — с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины и создастся нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза — выдергивающей силы. Для получения φ и с необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость τ = f (σ) (см. рис. 1.5).
Рис. 1.7. Схемы испытаний грунта в скважинах на срез
а — кольцевой; б — поступательный; в — вращательный крыльчаткой: 1 — лопасти; 2 — распорные штампы; 3 — скважины; 4 — штанги; 5 — устройства для создания и измерения усилия
Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 1.7), позволяет определить сопротивление срезу τ, поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, сапропелях, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять с = τ. Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.
Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения φ и с вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.
Угол внутреннего трения песчаных грунтов может быть определен с помощью статического и динамического зондирования. По данным статического зондирования угол φ имеет следующие значения:
| qc, МПа | 1 | 2 | 4 | 7 | 12 | 20 | 30 |
| φ, град | 26 | 28 | 30 | 32 | 34 | 36 | 38 |
Значения φ по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.19. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов на срез. Для сооружений III класса допускается определять φ только по результатам зондирования.
ТАБЛИЦА 1.19. ЗНАЧЕНИЯ УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
| Песок | Значения φ, град, МПа при qd, МПа | |||||
| 2 | 3,5 | 7 | 11 | 14 | 17,5 | |
| Крупный и средней крупности | 30 | 33 | 33 | 38 | 40 | 41 |
| Мелкий | 28 | 30 | 33 | 35 | 37 | 38 |
| Пылеватый | 28 | 28 | 30 | 32 | 34 | 35 |
xn--h1aleim.xn--p1ai