Механика грунтов

1 Дисциплина: МЕХАНИКА ГРУНТОВ. Литература 1. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. – Л.: Стройиздат, 1988 2. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Чернышов С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. – М.: Издательство АСВ, 1994 3. Цитович Н.А. Механика грунтов. Краткий курс. – М.: 1991 4. СНиП 2.02.01. – 83* Основания зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1995 5. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. – М.: 2004 6. ГОСТ 25 100 – 82 Грунты. Классификация. – М.: Издательство стандартов, 1995 Основные понятия и определения. Грунт – это любая горная порода, почва и твердые промышленные или хозяйственные отходы, представляющие собой многокомпонентные изменяющиеся во времени системы и используются как основание, среда или материалы для строительства сооружений. Механика грунтов – это наука, занимающаяся изучением физических и механических свойств грунтов, исследованием, оценкой и прогнозированием напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов. Грунтовые массивы изменяются во времени под действием внешних нагрузок: - от весов зданий и сооружений, - от собственного веса грунта, - от фильтрации подземных вод, - от сейсмических воздействий и т. д. Основания и фундаменты – это прикладная дисциплина, занимающаяся расчетом и конструированием оснований и фундаментов в различных инженерно-геологических условиях. Основные элементы основания и фундаментов. (А) – фундамент – это подземная конструкция предназначенная для передачи нагрузок и воздействий от зданий, сооружений, оборудований на основание грунта. т – т – обрез фундамента – это плоскость, ограничивающая фундамент сверху, на которую опирается надземная конструкция. п – п – подошва фундамента – это плоскость опирания фундамента на грунты основания. 2 вс – толщина стенки фундамента. в – ширина подошвы фундамента. hф – высота фундамента. hпл – толщина плиты фундамента. d – глубина заложения фундамента – это расстояние от поверхности грунта до подошвы фундамента. (Б) – основание – массив грунта расположенный под подошвой фундамента и воспринимающий нагрузки от зданий и сооружений. 1,2,3 – инженерно-геологические элементы грунтового массива представленные различными типами грунтов. а – несущий слой – это слой, залегающий непосредственно под подошвой фундамента. б, в – подстилающие слои – нижезалегающие слои. Обследование поврежденных зданий и сооружений показывает, что причинами деформаций и разрушения являются: 1 - отсутствие инженерно-геологических изысканий или неполный объем; 2 - ошибки в инженерно-геологических изысканиях; 3 - ошибки, допущенные в расчетах оснований и фундаментов и при разработке их конструкций; 4 - отступления от проектов устройства фундаментов; 5 - низкое качество работ по устройству оснований и фундаментов; 6 - стремления к неоправданной экономии при проектировании и устройстве оснований и фундаментов; 7 - строительство без проектной документации; 8 - отсутствие прогноза изменения инженерно-геологического и гидравлического устройства участка застройки; 9 - принятие необоснованных решений при реконструкции зданий и сооружений. Роль механики грунтов велика и в вопросах экономической оценки деятельности, человека результатами которой может быть: 1 - значительное оседание территорий больших городов в результате интенсивной откачки подземных вод; 2 - подтопление территорий промышленных городов; 3 - загрязнение подземных вод агрессивными и токсичными отходами; 4 - разрушение зданий и сооружений, построенных на склонах; 5 - образование селевых потоков в местах складирования отходов горно-добывающей промышленности. I. КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ. В соответствии с ГОСТ 25100-82 все грунты делятся на 2 класса: скальные и нескальные. Скальные – практически несжимаемые под действием нагрузок, возникающих от зданий и сооружений. Скальные грунты делятся на 4 группы: 1) магматические; 2) метаморфические; 3) осадочные сцементированные; 4) искусственные (преобразованные в естествен. залегании). 3 Разновидности скальных грунтов. 1. По величине предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Nc A N c – разрушающая нагрузка А – площадь поперечного сечения Rc  Схема испытания скального грунта на одноосное сжатие. Разновидности Очень прочные Прочные Средней прочности Малой прочности Пониженной прочности Низкой прочности Весьма низкой прочности RС, МПа RС>120 50< RС ≤ 120 15< RС ≤50 5< RС ≤15 3< RС ≤5 1≤ RС ≤3 RС <1 2. По степени размягчаемости, в зависимости от величины коэффициента ksat: R k sat  c Rc Rc – прочность на одноосное сжатие водонасыщенного образца Rc – то же, но воздушносухого образца. Разновидности Неразмягчаемые Размягчаемые ksat ≥0,75 <0,75 3. По степени выветрелости, в зависимости от величины коэффициента kwr; k wr   wr   wr – плотность выветрелой породы в условиях природного залегания;  – плотность невыветрелой породы. Разновидности Не выветрелые (монолитные) Слабовыветрелые (трещиноватые) Выветрелые Сильно выветрелые (рыхрые) kwr 1 1 > kwr ≥ 0,9 0,9 > kwr ≥ 0,8 < 0,8 4. По степени засоленности полускальных пород. 5. По степени растворимости в воде осадочных сцементированных пород. 4 Разновидности не скальных грунтов. Разновидности нескальных грунтов различают по следующим признакам: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Крупнообломочные – несцементированные грунты, содержащие ≥50% обломков горных пород крупнее 2 мм; Песчаные – сыпучие в сухом состоянии, с числом пластичности Jр<1%, содержание меньше 50% частиц крупнее 2 мм; Глинистые – связные грунты с Jр≥1%; Биогенные – озерные, болотные, аллювиально-болотные отложения относительным содержанием органического вещества Jот>0,1; Почвы – поверхностный слой грунта, обладающий плодородием; Уплотненные в природном залегании – уплотнение тяжелыми трамбовками (большой тяжелый конус сбрасывается с большой высоты, высота зависит от того, на сколько надо уплотнить); Намывные – грунты, полученные методом намыва; Насыпные – грунты, привезенные на строительную площадку из другого места. Составные элементы нескальных грунтов. Нескальный грунт представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из твердых частиц различной формы, размеров и минерального состава, пространство между которыми частично или полностью заполнено водой и газом. 1. Твердая составляющая грунтов. Главная особенность нескальных грунтов – раздробленность (дисперсность) твердой составляющей, частицы которой занимают большую часть объема грунта. По форме и размерам твердые частицы классифицируются следующим образом: 5 Наименование частиц Окатанные Неокатанные Валуны Глыбы Галька Щебень Гравий Дресва Песчаные Пылеватые Глинистые Размер частиц d, мм d>200 200≥d>10 10≥d>2 2≥d>0,05 0,05≥d>0,005 d≤0,005 Форма твердых частиц. Песчаные и крупнообломочные частицы имеют компактную окатанную (шарообразную) форму лили неокатанную. Глинистые частицы – чаще всего пластинчатой или игольчатой формы. Чем меньше размер частиц, тем больше их удельная поверхность, тем сильнее их взаимодействие с водой и между собой. Минеральный состав твердых частиц зависит от минерального состава исходной горной породы подвергшейся выветриванию. Для крупнообломочных и песчаных – это кварц и пылеватые шпаты. Для глинистых – это такие минералы как иллит, каолинит, монтмориллонит. 2. Жидкая составляющая грунтов. Жидкая составляющая грунтов представлена водой, которая частично или полностью заполняет поры грунта. Вода существенным образом влияет на свойства грунтов, особенно пылеватоглинистых. Вода может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Твердое состояние воды - лед, придающий грунтам специфические пластические свойства. Газообразное состояние воды - пар. В жидком состоянии вода может быть свободной или связной. 1. Прочносвязанная вода – это несколько первых десятков слоев молекул воды у поверхности твердых частиц, связанных с их поверхностью силами молекулярного взаимодействия. 2. Рыхлосвязанная вода. По мере удаления от поверхности твердых частиц электромолекулярные силы резко ослабевают. 3. Капиллярная вода удерживается в порах силами поверхностного натяжения. Встречается в пылевато-глинистых грунтах; песках средней, мелкой крупности и пылеватых. 4. Гравитационная вода не связана с твердыми частицами и свободно (явление фильтрации воды) перемещается в порах грунта под действием разности напоров. 3. Газообразное составляющее грунтов. 6 1. Защемленный газ. На глубине более 2 метров газ защемлен в порах грунта, что придает грунтам упругие свойства. Газообразная - азот, метан, сероводород. 2. Не защемленный газ. На глубине до 2 метров от поверхности земли газ в грунте не защемленный, свободно сообщается с атмосферным воздухом и не оказывает влияния на механические свойства грунта. Газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом. 3. Растворимый в воде. В водонасыщенных грунтах всегда содержится некоторое количество растворенного газа или газа в виде пузырьков. При изменении давления на грунт происходит процесс растворения и газовыделения. Чем больше содержание газа в воде, тем больше сжимаемость при давлении. Это приводит к изменению прочностных деформационных свойств грунтов, напряженного состояния и обьема. Структура и текстура грунтов. Гранулометрический и минералогический составы являются важными классификационными признаками, однако их недостаточно для полной характеристики грунтов, свойства которых зависят еще от структуры и текстуры. Под структурой понимается размер частиц, их форма и количественное (процентное) соотношение частиц слагающих грунт. Структура крупнообломочных и песчаных грунтов: 1 - угловатая; 2 - полуокатанная; 3 - окатанная; 4 - пластинчатая. Частицы тонкодисперсных грунтов (глин, суглинков и супесей) имеют способность «слипаться», образовывая агрегаты (комочки), состоящие из нескольких сотен частиц. Под текстурой понимается характер пространственного расположения элементов грунта с разным составом и свойствами в грунтовом массиве. Текстура определяется преимущественно условиями формирования грунтовых отложений. У водных отложений (осадков) текстуры обычно слоистые, ленточные, косослойные и др. Некоторые водные и континентальные отложения имеют массивную (однородную) или хаотическую текстуру. Например: хаотичная текстура – глинистые грунты, содержащие крупнообломочные включения (валуны, галька и т.п.). Виды текстур грунтов: 1 - равномерно-слоистая; 2 - неравномерно-слоистая; 3 - ленточная; 4 - косослойная; 5 - однородная; 6 - хаотичная (с включениями). Физические свойства грунтов и их характеристики. Следует различать основные и производные характеристики физических свойств грунтов. Основные – определяются опытным путем в лабораторных или в полевых условиях. Производные характеристики определяются расчетами по формулам. 1. Основные характеристики физических свойств грунтов. К основным характеристикам относятся: 1) гранулометрический состав; 2) плотность грунта (в природном состоянии); 3) плотность частиц грунта; 4) влажность; 5) влажность на границе текучести; 6) влажность на границе раскатывания. 7 1. Гранулометрический состав характеризует содержание в грунтах частиц различной крупности, выраженное в процентах от общей массы воздушносухой пробы грунта. Методы определения: 1) с помощью колонки сит с отверстиями различных стандартных диаметров (ситовый метод для песков); 2) с помощью ареометра или пипетки (для глинистых грунтов). По результатам опытов строятся графики гранулометрического состава грунтов. 1 – однородный мелкозернистый грунт 2 – неоднородный крупнозернистый грунт (По графикам можно определить, что грунт «2» более крупнозернистый и более неоднородный по сравнению с грунтом «1»). 2. Плотность – это масса единицы объема грунта в природном состоянии. Методы определения: 1) Метод режущего кольца (пески, пластичные глинистые грунты); 2) Метод парафинирования (твердые глинистые грунты). Схема составных элементов грунта V1 - объем твердых частиц; V2 - объем пор (газа и воды); m1 - масса твердых частиц; m2 - масса воды. Результат опыта используются для вычисления плотности грунта по формуле: m  m2  1 , г/см3; т/м3 V1  V2 3. Плотность частиц грунта – это отношение массы частиц к их объему. Определяется с помощью пикнометра - стеклянной колбы объемом 50 или 100 мл, с горизонтальной кольцевой риской на высоком горлышке. m  s  1 , г/см3; т/м3 V1 Для песков  s изменяется в пределах 2,65 – 2,67 г/см3 Для глинистых грунтов  s изменяется в пределах 2,68 – 2,76 г/см3 4. Влажность – это отношение массы воды, содержащейся в пробе грунта к массе высушенной пробы грунта. Определяется методом высушивания в сушильном шкафу (в термостате) при температуре 105 - 108 °С до постоянной массы высушенного образца. По результатам опытов вычисляется влажность. 8 m2  100%, % или д. ед) m1 Изменяется в широких пределах и особенно важна для глинистых грунтов. 5. Характеристики пластичности грунта Пластичность – это свойство образца грунта измерять свою форму без разрыва сплошности при механическом воздействии и сохранять принятую форму после снятия нагрузки. Пластичностью обладают пылевато-глинистые грунты. Пластичность характеризуется влажностью на границе раскатывания и влажностью на границе текучести. W Влажность на границе текучести (Wl ) – это влажность, соответствующая переходу грунта из пластичного состояния в текучее. Определяется при помощи стандартный балансирный конус (конус Васильева) массой в 76 г и с острием в 30° погружаемом в грунт под действием собственного веса на 10 мм за 5 секунд. Влажность на границе раскатывания (Wp) – это влажность, соответствующая переходу грунта из пластичного состояния в твердое. Определяется способом раскатывания. При этой величине грунт, раскатанный в жгутики диаметром 3 мм, начинает самопроизвольно трескаться и разламываться на кусочки длиной 5...10 мм. Влажность пробы грунта, подготовленной раскатыванием или с помощью балансирного конуса, определяется методом высушивания в сушильном шкафу при температуре 105-108°С до постоянной массы высушенного образца. m W  2  100%, % или д. ед. m1 1. 2. 3. 4. 5. 2. Производные характеристики физических свойств грунтов. Плотность сухого грунта (скелета) – это масса единицы объема грунта в абсолютно сухом состоянии. m1  d  , d  , г/см3; т/м3 V1  V2 1  0.01  W где W – влажность грунта в %. Коэффициент пористости характеризует отношение объема пор к объему частиц грунта  V  (1  0,01  W ) е  2  s 1 , е  s  1 , д. ед V1  d  По коэффициенту пористости оценивается плотность сложения грунта. Пористость – это отношение объема пор ко всему объему грунта. V2 e n  100% , % или д. ед. , n V1  V2 1 e Плотность грунта во взвешенном водой состоянии определяется для грунтов находящихся ниже уровня грунтовых вод.  sb   s   w   1  0,01 n , г/см3; т/м3 где pw = 1 г/см3 - плотность воды. Полная влагоемкость – это влажность, соответствующая полному заполнению пор грунта водой. е  w Wsat   100% , % или д. ед. s 9 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Степень влажности – характеризует степень заполнения пор грунта водой.   0,01  W W , Sr  s , д.ед Sr  w  e Wsat Плотность водонасыщенного грунта.  sat   d  1  0,01 Wsat  , г/см3; т/м3 Число пластичности – это разность между влажностью на границе текучести и влажностью на границе раскатывания. J p  WL  WP , % По числу пластичности определяется тип глинистого грунта. Показатель текучести характеризует состояние пылевато-глинистых частиц. W  WP W  WP JL   , д. ед. WL  WP Jp По показателю текучести оценивается состояние, в котором находится пылевато-глинистый грунт. Удельный вес грунта.     g , кН/м3 где g – ускорение свободного падения. Изменяется в пределах 15…22 кН/м3 Удельный вес твердых частиц грунта.  s  s  g , кН/м3 Изменяется в пределах 25…28 кН/м3 Удельный вес сухого грунта.  d  d  g , кН/м3 Изменяется в пределах 10…19 кН/м3 Удельный вес грунта во взвешенном водой состоянии. Если грунт находится в природном состоянии ниже уровня грунтовых вод, то на него будет действовать взвешивающее действие воды.    sb   s   w   n  1  s w , кН/м3 1 e  s   w  – вес твердых частиц,  w – удельный вес воды 10 кН/м3 Строительная классификация грунтов. 1. Классификация песчаных грунтов. Песчаные грунты классифицируются: 1) по гранулометрическому составу; 2) по плотности сложения; 3) по степени влажности. 1. По гранулометрическому составу различают типы песков: Типы песчаных грунтов Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый Распределение частиц по крупности в % от веса сухого грунта Содержание частиц крупнее d=2мм составляет более 25% –– II –– II –– II –– II –– II –– d=0,5мм – II –– II – более 50% –– II –– II –– II –– II –– II –– d=0,25мм – II –– II –более 50% –– II –– II –– II –– II –– II –– d=0,1мм – II –– II – 75% и более –– II –– II –– II –– II –– II –– d=0,1мм – II –– II – менее 75% По гранулометрическому составу оценивается неоднородность песков. Для этого используется коэффициент неоднородности, величина которого зависит от соотношения действующего и контролирующего диаметров частиц грунта. 10 d 60 d10 где: d60 – диаметр, меньше которого в песке содержится 60% частиц (контролирующий); d10 – диаметр, меньше которого в песке содержится 10% частиц (действующий). Если С≥3 - песок неоднородный, при С<3 - песок однородный. С 2. По плотности сложения различают виды песков: Тип песчаных грунтов Пески гравелистые, крупные и средней крупности Пески мелкие Пески пылеватые плотные Плотность сложения Средней плотности Рыхлые е<0,55 е<0,60 е<0,60 R  0,5 МПа 0,55≥е≥0,70 0,60≥е≥0,75 0,60≥е≥0,80 R  0,25 МПа >0,70 е>0,75 е>0,80 R  0 МПа Для песчаных грунтов плотность имеет первостепенное значение при оценке их свойств как оснований для сооружения. СНиП запрещает стоить сооружения на рыхлом грунте. Такие грунты воспринимают довольно большую статическую нагрузку, но при динамических нагрузках они теряют свою структуру (в водонасыщенном состоянии) и грунт переходит в суспензию (плывунное состояние). Рыхлый песок n  42% Плотность песка n  23% Уменьшение до 1/5 объема В полевых условиях плотность грунтов часто определяют методом зондирования (пенетрации). 3. По степени влажности пески разделяют на разновидности: Разновидности песчаных грунтов по степени влажности Маловлажные Влажные Насыщенные водой Степень влажности Sr 0< Sr ≤0,5 0,5< Sr≤ 0,8 0,8< Sr≤ 1 4. Расчетное сопротивление грунта – это величина оценивает прочностные свойства, необходимые для возведения сооружений. R=f(тип грунта; e; Sr) Плотные R  0,5 МПа Средней плотности R  0,25 МПа Рыхлые R  0 МПа Классификация глинистых грунтов. Глинистые грунты классифицируются: 1) по числу пластичности; 2) по показателю текучести 11 1. По числу пластичности различают типы глинистых грунтов: Тип пылевато-глинистых грунтов Супеси Суглинки Глины Число пластичности Jp, % 1  Jp  7 7  Jp  17 Jp > 17 2. По показателю текучести определяют разновидности глинистых грунтов: Консистенция пы- Показатель левато-глинистых текучести грунтов JL, д.ед. Супеси Твёрдые Пластичные Текучие JL < 0 0  JL  1 JL > 1 Консистенция пы- Показатель телевато-глинистых кучести JL, грунтов д.ед. Суглинки и глины Твёрдые JL < 0 Полутвёрдые 0  JL  0,25 Тугопластичные 0,25 < JL  0,50 Мягкопластичные 0,50 < JL  0,75 Текучепластичные 0,75 < JL  1,0 Текучие JL > 1 3. Расчетное сопротивление грунта R=f(IL; IP; e) JL < 0 R  0,4 МПа 0  JL  1 R  0,2 МПа JL > 1 R  0 МПа (строить практически невозможно) II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Под воздействием внешней нагрузки в грунтовых массивах возникают напряжения и деформации. Деформации в грунтах различают на упругие и пластичные. При упругих деформациях - сохраняется структура грунтов и связи между частицами. При снятии нагрузки упругие деформации восстанавливаются. При пластичных деформациях - разрушаются связи между частицами. Механические характеристики необходимы для расчета деформации грунтовых оснований, их несущей способности, устойчивости склонов и откосов, для определения давления на подпорное сооружение. Выделяют 3 группы механических напряжений: 1-я группа – характеристики деформации;  модуль деформации Е, кПа;  компрессионный модуль деформации Еoed, кПа;  коэффициент сжимаемости m, кПа-1 2-я группа – характеристики прочности;  удельное сцепление с, кПа;  угол внутреннего трения  , град.;  коэффициент внутреннего трения tg  3-я группа – характеристики водопроницаемости. Перечисленные характеристики могут быть определены: - по результатам непосредственных испытаний грунтов в лабораторных условиях или на строительной площадке; - для мало ответственных сооружений характеристики можно определить по таблицам СНиП 2.02.01-83*. В этом случае необходимо знать характеристики физических свойств грунтов, чтобы предварительно определить их тип, вид и разновидность. 12 Определение характеристики деформации по результатам испытания грунтов штампом. Испытания проводят в полевых условиях на будущей строительной площадке. Для испытания используются круглые или квадратные жесткие штампы стандартных размеров. Испытания проводят в шурфах или котлованах. Площадь штампа 600 см2 для испытаний в скважинах. Площадь 5000 см2 для испытаний в шурфах. Схема установки для испытаний грунтов штампом: 1 – штамп; 2 – гидравлический домкрат снабженный манометром для измерения нагрузки передаваемой на штамп; 3 – шарнир для центрирования; 4 – упорная металлическая балка; 5 – анкерные винтовые сваи; 6 – инвентарные захваты обеспечивающие связь балки 4 с анкерными связями; 7 – прогибомеры для измерения осадки штампа; 8 – кронштейны для крепления прогибомеров; 9 – грузики для натяжения струны; 10 – струна из «нихрома», которая обеспечивает связь со штампом. При испытании необходимо, чтобы толщина слоя однородного грунта была не менее двух диаметров штампа. Методика проведения испытаний С помощью домкрата на штамп передается ступенчато увеличивающаяся вертикальная нагрузка. При этом ступени давления под подошвой штампа принимаются равными 25 или 50 кПа в зависимости от разновидности исследуемого грунта. В течение всего испытания прогибомерами измеряется осадка штампа. Каждая ступень давления выдерживается до условного стабилизации (прекращения) осадки, за критерий которой принимается скорость нарастания осадки: 1,0 мм/час для песков и 0,5 мм/час для глинистых грунтов. По достижении условной стабилизации (прекращения) осадки прикладывается следующая нагрузка, которая ступенями увеличивается до тех пор, пока осадка не начнет развиваться с нарастающей скоростью. По результатам выполненных испытаний строится график зависимости s=f(p) и определяется модуль деформации. 13 P , кПа S где W – безразмерный коэффициент, учитывающий форму штампа; d – диаметр штампа;  – коэффициент Пуассона, учитывающий боковое расширение грунта под штампом: v=0,3 – для песков и супесей; 0,35 – для суглинков; 0,42 – для глин; Р - приращение давления на штамп между двумя точками, взятыми на усредняющем прямолинейном участке; P  P2  P1 , кПа Р1 и Р2 – по графику - давление под подошвой штампа, соответствующее начальному и конечному значению прямолинейной зависимости s = f(p); P1    h , где  – удельный вес грунта залегающего под подошвой штампа, h – глубина заложения штампа S – приращение осадки штампа между двумя точками, S  S2  S1 , м; S1 и S2 – осадки соответствующие принятым давлениям. По результатам испытаний грунтов штампами получаем наиболее достоверное значение модуля деформации. Это испытание весьма трудоемкое и дорогостоящее. E    d  (1   2 ) Определение характеристик деформации по результатам испытания грунтов в компрессионном приборе. Проводится в лабораторных условиях без возможности бокового расширения грунта. Испытание исполняется на цилиндрических образцах грунта с площадью поперечного сечения А=60 см2 (d=87,4 мм) и высотой h=25мм. Схема установки компрессионного прибора: 1 – образец грунта ненарушенной структуры; 2 – рабочее кольцо; 3 – рабочая камера компрессионного прибора (одометр); 4 – перфорированные фильтры (фильтровальная бумага); 5 – верхний подвижный перфорированный штамп; 6 – шарик для центрирования нагрузки; 7 – индикатор для измерения сжатия образца; 8 – фиксатор; 9 – нижний неподвижный перфорированный штамп. 14 Методика проведения испытаний К образцу грунта ступенями прикладывается вертикальная нагрузка, при этом под подошвой верхнего штампа «5» последовательно создается давление 50, 100, 200, 300 и 400 кПа. Каждая ступень давления выдерживается до условной стабилизации осадки, после чего прикладывается следующая ступень. С помощью индикатора «7» определяется величина сжатия на каждой ступени давления. По результатам испытания рассчитывается величина сжатия образца грунта, величина относительной деформации и коэффициент пористости. h åi  e0  i  1  e0  , д.ед. h где: h – начальная высота образца грунта; hi - величина сжатия образца грунта; h – величина относительной деформации (сжатия) образца грунта; h е0 – начальный коэффициент пористости. По результатам испытаний строится график зависимости e=f(p) и определяются характеристики сжимаемости испытанного грунта. График компрессионных испытаний (компрессионная кривая). 1. Коэффициент сжимаемости e1  e2 , кПа-1 p 2  p1 где: P1 и P2 – давления соответственно равные 100 и 200 кПа; е1 и е 2 – коэффициенты пористости соответствующие принятым давлениям. 2. Компрессионный модуль деформации 1  e1 Eoed   , кПа m0 где:  – безразмерный коэффициент, учитывающий невозможность боковое расширение грунта в компрессионном приборе, принимается в зависимости от типа грунта. Для песков 0,76; для супесей 0,74; для суглинков 0,62; для глин 0,40. 3. Приведенный модуль деформации Сравнение модулей деформации, определенных по результатам испытаний штампом и в компрессионном приборе, выполненным для одного и того же грунта, показывает, что «штамповый» метод деформации может быть в несколько раз больше «компрессионного» (Е > Eoed). Поэтому для того, чтобы уточнить величину модуля деформации, полученного по результатам компрессионных испытаний, вводят корректирующий коэффициент mk E  mk  Eoed , кПа где: mk – корректирующий коэффициент, принимается в зависимости от типа грунта и начального коэффициента пористости. Для песков mk =1, для глинистых грунтов mk  2  6 m0  испытания в компрессионном приборе менее трудоемкие и менее дорогостоящие, но дают не очень точные результаты. 15 Определение характеристик прочности по результатам испытания грунта в приборе прямого одноплоскостного среза. Прочность – это свойство грунта сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций. Сопротивление грунта срезу – это минимальное касательное напряжение, при котором происходит смещение одной части грунта относительно другой при заданной вертикальной нагрузке. Испытания проводятся в лабораторных условиях на образцах с площадью поперечного сечения А = 40 см2, высотой h = 35 мм. Схема установки срезного прибора: 1 – образец грунта ненарушенной структуры; 2 – рабочее кольцо внутренним диаметром d=71,4 мм; 3 – нижняя неподвижная часть срезной коробки; 4 – фиксатор препятствует горизонтальному перемещению нижней части прибора; 5 – верхняя подвижная часть срезной коробки; 6 – перфорированные фильтры; 7 – штамп для передачи вертикальной нагрузки; 8 – индикатор для измерения вертикальных перемещений; 9 – индикатор для измерения горизонтальных перемещений; 10 – стальной шарик для центрирования нагрузки; 11 – основание прибора; s-s – плоскость среза. Методика проведения испытаний Эксперименты проводятся при трех различных значениях напряжений, нормальных к плоскости среза:  = 100, 200 и 300 кПа, которые рассчитываются по формуле: N i  i A где: Ni - вертикальная, нормальная к поверхности среза нагрузка, кН. В каждом опыте, после стабилизации сжатия образца под действием вертикальной нагрузки Ni, к подвижной части рабочей камеры ступенями прикладывается горизонтальная нагрузка, которая увеличивается до тех пор, пока не произойдет срез. Одна ступень горизонтальной нагрузки равна 5-ти %-там от вертикальной ( Ti  0,05  Ni ). После чего определяется величина нагрузки, касательной к плоскости среза, при которой произошло разрушение образца ( Ti  n  Ti где n – количество приложенных ступеней горизонтальной нагрузки, i – номер эксперимента). T Касательное напряжение, при котором произошел срез, вычисляется по формуле:  i  i A Полученную величину  i , называют сопротивлением грунта срезу при заданной величине вертикального нормального давления. Таким образом, каждому значению нормального давления  i будет соответствовать своя величина касательного напряжения  i , полученная в результате испытаний. Полученные результаты представляются в виде графика   f   . 16 Зависимость   f   может быть записана в виде уравнения (закон Кулона):     tg  c где:  – угол внутреннего трения, град.; с – удельное сцепление, кПа. c – всесторонние давление связности. P  tg Испытание грунта в приборе трехосного сжатия (стабилометр). Схема установки срезного прибора: 1 – образец грунта; 2 – резиновая оболочка толщиной не более 25 мм; 3, 4 – нижнее и верхнее металлическое основание прибора; 5 – цилиндрическая стеклянная камера; 6 – штамп, с помощью которого на образец передается вертикальная нагрузка  1 ; 7 – шарнир; 8 – трубка для подачи воды в камеру прибора; 9 – манометр для измерения бокового давления; 10 – манометр для определения давления в паровой воде грунта; 11 – краны, перекрывающие при необходимости подачу воды; 12 – индикатор для измерения сжатия образца; 13 – дистиллированная вода.  1 – максимальное главное давление  2   3 – минимальные или промежуточные главные напряжения Напряженное состояние образца грунта. В приборах трехосного сжатия испытываются образцы грунта цилиндрической формы, высота которых 1.5-2,5 раза больше диаметра. 17 Считается, что условия испытания в этих приборах в наибольшей степени отражают условия работы грунта в основаниях инженерных сооружений. Испытание даёт наиболее надежные результаты в определении прочностных и деформационных свойств. Для определения характеристик прочности грунта c и  рекомендуется провести не менее трех опытов при различных, но постоянных по величине значениях  1   2   3 Каждый опыт начинается с всестороннего сжатия образца заданным давлением 1   2   3   r . После прекращения объемной деформации образца грунта ступенчато увеличивается вертикальное давление  1 при постоянных значениях  2   3 . Боковое давление удается поддерживать за счет постепенного плавного отвода воды из рабочей камеры с помощью крана 11. Давление  1 увеличивается до тех пор, пока не произойдет разрушение образца. 2  3 График нагружения образца грунта в приборе трехосного сжатия 0 0 1 Таким образом, выполняются все три эксперимента, в результате которых получают разрушающие давление. Опыт 1.  1 при  2   3  const  100    Опыт 2.  1 при  2   3  const  200    Опыт 3.  1 при  2   3  const  300 По результатам испытания строится график зависимости   f   , описывающийся уравнением     tg  c . Для этого проводится касательная к кругам Мора, построенным на диаметрах, равным разнице между разрушающим  1 и боковым давлением  2   3  const . График зависимости   f   для глинистых грунтов   2  2  1  2 P – всесторонние давление связности.  1  1 sin   1   2  1   2  2  P График зависимости   f   для песчаных грунтов  2 sin   1 1   2 18 Прибор трехосного сжатия является универсальным, позволяющим исследовать не только прочностные свойства грунта, но и деформационные такие как: модуль деформации (Е), модуль объемного сжатия (К), модуль сдвига (G), коэффициент бокового расширения грунта – коэффициент Пуассона ( ). Для того чтобы выполнить компрессионные испытания, перед началом испытания перекрывается кран 11. по мере увеличения вертикального давления  1 будет увеличиваться и боковое  2   3 . По результатам испытаний строиться компрессионная кривая и определяются характеристики сжимаемости: m0 , Eoed . По результатам компрессионных испытаний можно также определить коэффициент бокового давления   2 3  и затем коэффициент Пуассона   .  1 1 1   – используется в расчетах бокового давления грунта на подпорные стенки. Характеристики водопроницаемости грунтов. Водопроницаемостью называется способность водонасыщенного грунта под действием разности напоров фильтровать воду. Для описания процесса фильтрации воды в грунтах применим закон ламинарной фильтрации Дарси, который формулируется следующим образом: скорость движения воды в грунте прямопропорциональна гидравлическому градиенту v  k i v – скорость фильтрации – это объем воды, проходящий через единицу площади поперечного сечения водного потока в единицу времени. Измеряется в м/сут и см/с. i – гидравлический градиент, равный потере напора воды на единице длины пути фильтрации. Схема к определению градиента напора. i H1  H 2 H  L L k – коэффициент фильтрации воды – это скорость фильтрации при градиенте напора равный i  1 и температуры воды t0  100 С. Коэффициент фильтрации является характеристикой водопроницаемости. Величина коэффициента фильтрации по данным Н.А.Цитовича изменяется в пределах: Пески k  101  k  104 см/с Супеси k  103  k 106 см/с Суглинки k  105  k 108 см/с Глины k 107  k 1010 см/с Многочисленные опыты подтверждают справедливость закона Дарси для песков. В этом случае зависимость скорости фильтрации от градиента напора будет выглядеть следующим образом: 19 Закон Дарси: 1 – для песков 2 – для глинистых грунтов. i0 В глинистых грунтах, особенно в плотных, при относительно небольших градиентах напора, фильтрация может вообще не возникать. И только увеличение градиента напора до величины, превышающей некоторое значение i0, приведет к началу фильтрации. В этом случае закон Дарси записывается в виде: v  k  i  i0  где: i0 – начальный градиент напора. Для описания процесса фильтрации воды в грунте предлагается также уравнение вида: a) При i  i0 3  4 i0  i0   v  k  i  i0      3  i    3 b) При градиенте напора много больше начального градиента i  i0  4  v  k  i  i0   3  При i  i0 фильтрация в глинистых грунтах практически полностью прекращается. Таким образом, характеристиками водопроницаемости грунта являются: k – коэффициент фильтрации, i0 – начальный градиент напора. Коэффициент фильтрации и начальный градиент напора определяются экспериментальным путем в лабораторных или полевых условиях. Используются в расчетах - фильтрационного давления: скорости развития осадки водонасыщенных грунтовых оснований, сложенных глинистыми грунтами; - в расчетах дренажных и водозаборных сооружений.