Основы геотехники

Основы геотехники 1 ОСНОВЫ ГЕОТЕХНИКИ Для изучения дисциплины «Основы геотехники» рекомендуется изучить материалы следующих учебных и нормативных изданий. Главы 6,12 «Прочность, устойчивость грунтовых массивов и давление грунтов на ограждения», «Инженерные методы преобразования строительных свойств оснований». Абуханов, А.З. Механика грунтов [Электрон- Главы «Устойчивость откосов», ный ресурс]: учеб. пособие / А.З. Абуханов. «Давление грунтов на подпор— 2-е изд., испр. и доп. — М. : ИНФРА-М, ные стены и др. сооружения». 2017. — 336 c. Малышев М.В., Болдырев Г.Г. Механика Главы «Устойчивость откогрунтов. Основания и фундаменты (в вопро- сов», «Давление грунтов на сах и ответах):Учебное пособие. – Изд-во подпорные стены и др. сооруАСВ. – М. 2000. – 32о с.: ил. жения». Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания Глава «Теория предельного и фундаменты (включая специальный курс напряженного состояния грунинженерной геологии). [Электронный ресурс] тов и её приложения» — Электрон. дан. — СПб. : Лань, 2012. — 416 с. Заручевных, И. Ю. Механика грунтов в схемах и таблицах [Текст] : учебное пособие / И. Ю. Заручевных, А. Л. Невзоров. - 2-е изд., испр. и доп. - М. : АСВ, 2007. - 136 с. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. Межгосударственный стандарт. – М., 2010. ГОСТ 23161-2012 Грунты. Метод лабораторного определения характеристик просадочности [Электронный ресурс] : стандарт / Межгосударственный стандарт. - Взамен ГОСТ 23161-78 ; Введ. с 01.07.13. - М. : Стандарт России, 2013. - 15 с. ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости [Электронный ресурс] : стандарт / Межгосударственный стандарт. - Взамен ГОСТ 12248-96, ГОСТ 24143-80 ; Введ. с 01.01.12. - М. : Стандарт России, 2012. - 83 с. Механика грунтов, основания и фундаменты [Текст] : учеб. пособие / С. Б. Ухов [и др.]. - 2е изд. стер. - М. : Ассоциация строит. вузов, 2005. - 528 с. Основы геотехники 2 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Глава 1. СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫЕ ГРУНТЫ Общие положения. Группа структурно-неустойчивых грунтов (по Н. А. Цытовичу): мерзлые и многолетнемерзлые грунты, лессовые просадочные грунты, слабые водонасыщенные пылевато-глинистые, засоленные, заторфованные грунты. Общее свойство этой группы: в природном состоянии эти грунты обладают структурными связями, которые при определенных воздействиях резко снижают свою прочность или полностью разрушаются. Дополнительные воздействия могут иметь механическую природу (быстро возрастающие динамические, вибрационные нагрузки) или обусловливаться физическими процессами (повышение температуры мерзлых грунтов, обводнение лессовых или засоленных грунтов и т. п.). При разрушении природной структуры резко снижается прочность грунтов, увеличивается сжимаемость и проявляется склонность к просадочным деформациям. К этой группе могут быть отнесены и насыпные грунты. Структурно-неустойчивые грунты, группируются преимущественно в определенных географо-климатических зонах (регионах), поэтому их часто называют региональными, а условия стро ительства относят к региональным или особым грунтовым условиям. К региональным относят грунты, обладающие специфичными свойствами, характерными для данного региона. К ним относятся мерзлые и многолетнемерзлые грунты, просадочные грунты (лёссы), набухающие при замачивании грунты, засоленные грунты и некоторые другие. Кроме того в различных регионах могут проявляться свои специфические геологические процессы. В СНиП 22-02-2003 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения» в справочном приложении Г приводятся «Зарегистрированные проявления опасных геологических процессов на территории субъектов Российской федерации». Фазы напряженного состояния грунта. Классификация мерзлых грунтов (ГОСТ 25100-2011) Сжимаемость мерзлых грунтов зависит от граулометрического состава, температуры и влажности Основы геотехники 3 Просадочный грунт – это грунт, который под действием нагрузки, соответствующей весу вышележащей толщи грунта, при замачивании водой претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки ε≥0,01. Деформация просадочных грунтов. В соответствии со СНиП 2.02.01-83* мероприятия, осуществляемые при строительстве в особых грунтовых условиях, можно разделить на три группы: 1. меры, предпринимаемые для исключения неблагоприятных воздействий на грунты оснований. 2. разнообразные способы искусственного улучшения строительных свойств оснований, с помощью которых нейтрализуются последствия воздействия неблагоприятных факторов. 3. конструктивные мероприятия, понижающие чувствительность зданий и сооружений к неравномерным деформациям оснований, в т. ч. специальные виды фундаментов. Глава 2. Преобразование строительных свойств грунтов оснований Три группы: Конструктивные, Механическое уплотнение грунтов, Закрепление . К конструктивным методам улучшения относятся:  Замена слабых грунтов на уплотненные грунтовые подушки;  Армирование грунтов. Грунтовая подушка представляет собой искусственно укладываемый слой прочного грунта, который заменяет слабый вынимаемый грунт. Требования, предъявляемые к материалу подушек. Грунтовая подушка более равномерно распределяет давление, передаваемое на нижний более слабый грунт. Грунт, укладываемый в тело подушки, уплотняется трамбованием или укаткой для увеличения прочности и уменьшения сжимаемости. Расчет ведется в соответствии с п.2.44 СНиП 2.02.01.-83*. Армирование оснований - это мероприятия и технологии, предназначенные для усиления и упрочнения грунтовых массивов с помощью включения в их состав специальных элементов, находящихся в тесном взаимодействии с грунтом, но не связанных с фундаментом конструктивно. Усиление и упрочнение основания можно осуществить за счет введения в толщу грунта элементов повышенной прочности, которые хо- Основы геотехники 4 рошо работают на сжатие или растяжение и имеют высокое сцепление и трение с окружающим грунтом. В грунтовых массивах конструктивное расположение армирующих элементов может быть вертикальным, горизонтальным, наклонным в одном направлении, наклонным в двух и более направлениях, прерывистым и в виде различного ряда ячеистых структур. Основными задачами армирования оснований являются: устранение просадочности лессовых грунтов; упрочнение и повышение устойчивости оснований, в том числе на оползнеопасных склонах; упрочнение и укрепление насыпей и откосов земляных сооружений, армирование обратных засыпок подпорных стен и повышение устойчивости подпорных стен; исключение выпора грунта из-под сооружений. Механическое уплотнение грунтов. Поверхностное уплотнение грунтов. В практике широко применяются следующие методы поверхностного уплотнения грунтов:  тяжелыми и легкими трамбовками;  катками и другими механизмами и транспортными средствами;  площадочными вибраторами;  вытрамбовыванием котлованов;  подводными взрывами. Уплотнение грунтов ведется при их оптимальной влажности (wopt). Уплотнение укаткой механизмами и машинами. Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками применяют.  устранения просадочных свойств грунтов;  создания в основании зданий или сооружений сплошного маловодопроницаемого экрана, препятствующего интенсивному замачиванию нижележащих грунтов;  повышения плотности, прочностных характеристик и снижения сжимаемости грунтов. В практике используют трамбовки из железобетона, имеют в плане форму круга или многоугольника. Способ вытрамбовывания котлованов. Закрепление грунтов. Цементация грунтов. Силикатизация и смолизация грунта. Двух- и однорастворный способ силикатизации. Сущность термического закрепления грунтов. Закрепление грунтов с использование высоконапорных инъекций - струйная технология. Сущность технологии: использование энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного пере- Основы геотехники 5 мешивания грунта с цементным раствором. После твердения образуется новый материал – грунтобетон. Глава 3. Оценка устойчивости склонов, откосов и подпорных стен Общие сведения. Терминология: откос, заложение откоса, бровка откоса, гребень, берма, склон, оползень. Виды оползней. Мероприятия по увеличению устойчивости откосов и склонов. Предельно устойчивым называется откос, в котором грунт находится в предельно напряженном состоянии. Расчет устойчивости откосов. Устойчивость откоса в основном зависит от его высоты и вида грунта. Для понимания, какие силы удерживают откос от обрушения и какие вызывают его разрушение, рассмотрим три элементарные плоские задачи: 1. устойчивость откоса идеально сыпучего грунта (φ≠0, с=0); 2. устойчивость откоса идеально связного массива грунта (φ=0, с≠0). 3. Устойчивость вертикального откоса в грунтах, обладающих трением и сцеплением (φ≠0, с≠0). Равноустойчивый откос – откос криволинейного очертания, при котором ограниченный им массив грунта находится в состоянии предельного равновесия. Предельно устойчивый откос из связного глинистого грунта – криволинейный, в нижней части он постепенно уполаживается и стремится к наклону, приближающемуся к углу внутреннего трения. Наиболее рациональное очертание откоса – близкое к предельно устойчивому. Расчет устойчивости откосов. Метод круглоциллиндрических поверхностей скольжения. Этот метод дает некоторый запас устойчивости и основывается на опытных данных о форме поверхностей скольжения при оползнях вращения. Форма поверхности скольжения на основании многочисленных замеров в натуре принимается за круглоциллиндрическую, при этом самое невыгодное ее положение определяется расчетом. Предполагаем, что потеря устойчивости откоса или склона произойдет в результате вращения отсека грунтового массива относительно некоторого центра О. При величине коэффициент устойчивости kst1,1…1,5 Основы геотехники 6 откос будет устойчивым. Некоторые усовершенствования и упрощения расчетов по методу круглоциллиндрических поверхностей скольжения внесены российскими геотехниками (проф. Г.И. Тер-Степанян, М.Н. Гольдштейн): коэффициент устойчивости рекомендовано определять по выражению М уд c k st  k st  f  A  В М сдв Н где А и В – коэффициенты зависящие от геометрических размеров сползающего клина, выраженных в долях от высоты откоса Н. Значения этих коэффициентов приведены в таблице М.Н. Гольдштейна. f=tgφ – коэффициент трения; с – удельное сцепление грунта, кПа; γ – удельный вес, кН/м3 Когда устойчивость откоса требуемой крутизны не обеспечивается, то для его поддержания приходится либо 1. уполаживать откос, либо 2. устраивать подпорные стенки. Проектирование уположения откоса, т.е. определение такого очертания откоса, чтобы не было обрушения, выполняется графоаналитическим методом равнопрочного откоса (метод Fр) (предложен проф. Н. Н. Масловым). Этот метод основан на положении, что степень устойчивости откоса определяется выражением k st  tg tg где α- угол наклона к горизонту откоса в рассматриваемой точке; ψ – (пси) угол сдвига в той же точке грунтового массива, зависящий от нормальных напряжений. Откос имеет угол  - он может быть любым. Если <ψ – откос устойчивый; если увеличивать угол , то он достигнет некоторого значения ψ. При =ψ откос находится в состоянии предельного равновесия (т.е. неустойчивого, негарантированного); при >ψ откос обрушится. ψ называется углом сдвига. Для сыпучих (несвязных) грунтов угол сдвига ψ равен углу внутреннего трения φ. Построение равнопрочного откоса графическим методом Маслова с использованием графических приемов оказывается предпочти- Основы геотехники 7 тельным, особенно при пластовом (слоистом) строении грунтовой толщи. Подпорные стенки. Подпорные стенки по конструктивному исполнению бывают массивные и тонкостенные. Устойчивость массивных стенок на сдвиг и опрокидывание обеспечивается, прежде всего их собственным весом, устойчивость тонкостенных конструкций – собственным весом стенки и грунта, вовлеченного в совместную работу, либо защемлением нижней части стенки в основании. Давление грунта на подпорную стенку а называется активным (распор). Если же стенка под действием приложенных к ней сдвигающих сил стремится сама переместиться в сторону грунта, то она встречает со стороны грунта сопротивление, называемое пассивным давлением p или отпором. Равнодействующая активного давления Еа однородного грунта на стенку высотой Н. Активное и пассивное давления грунта на подпорную стенку и равнодействующие этих давлений для связных и несвязных грунтов определяются по разным формулам. Давление связности (см. рис.). Если на горизонтальной поверхности засыпки действует равномерно распределенная нагрузка ро, то для расчета активного давления грунта ее заменяют слоем грунта засыпки мощностью h: h=р0/γ где γ — удельный вес грунта.