Структурна міцність ґрунту. Сучасні проблеми науки та освіти. Конспект лекцій з механіки ґрунтів

При цьому необхідно враховувати безліч факторів. Особливу увагу слід приділяти складу та деякі її види здатні при підвищенні вологості у напруженому під власною масою або від зовнішнього навантаження просідати. Звідси і назва таких грунтів - "просадочніРозглянемо далі їх особливості.

Види

До цієї категорії відносять:

Лісові ґрунти (суспесі та леси).
Глини та суглинки.
Окремі види покривних суспесей та суглинків.
Насипні виробничі відходи. До них, зокрема, відносять золу, колосниковий пил.
Пилувато-глинисті ґрунтиіз високою структурною міцністю.

Специфіка

На початковому етапі організації будівництванеобхідно провести дослідження ґрунтового складу ділянки для виявлення ймовірних деформацій. Їх виникненняобумовлюється особливостями процесу формування ґрунту. Шари перебувають у недостатньо ущільненому стані. У лісовому ґрунті такий стан може зберігатися протягом усього його існування.

Підвищення навантаження та вологості викликає, як правило, додаткове ущільнення у нижніх шарах. Однак оскільки деформація залежатиме від сили зовнішнього впливу, недостатня ущільненість товщі щодо зовнішнього тиску, що перевищує напругу від її власної маси, збережеться.

Можливість закріплення слабких ґрунтів визначається при лабораторних випробуваннях щодо співвідношення зниження міцності при зволоженні до показника діючого тиску.

Властивості

Окрім недоущільненості, для просадних ґрунтів характерні низька природна вологість, пилуватий склад, висока структурна міцність.

Насичення ґрунту водою у південних районах, як правило, становить 0,04-0,12. У районах Сибіру середньої смуги показник знаходиться в межах 0,12-0,20. Ступінь вологості у першому випадку – 0,1-0,3, у другому – 0,3-0,6.

Структурна міцність

Вона обумовлюється переважно цементаційним зчепленням. Чим більше вологи надходить у землю, тим нижча міцність.

Результати досліджень показали, що тонкі водяні плівки мають розклинювальну дію на пласти. Вони виступають як мастило, полегшують ковзання частинок просадного грунту. Плівки забезпечують щільніше укладання шарів під зовнішнім впливом.

Зчеплення насиченого вологою просадного ґрунтувизначається впливом сили молекулярного тяжіння. Ця величина залежить від ступеня щільності та складу землі.

Характеристика процесу

Просідання є складним фізико-хімічним процесом. Виявляється вона у вигляді ущільнення ґрунту внаслідок переміщення та більш щільного (компактного) укладання частинок та агрегатів. За рахунок цього знижується загальна пористість шарів до стану, що відповідає рівню тиску, що діє.

Підвищення густини призводить до деякої зміни окремих характеристик. Згодом під впливом тиску ущільнення продовжується, відповідно продовжує підвищуватися і міцність.

Умови

Для виникнення просідання необхідні:

Навантаження від фундаменту або власної маси, яке при зволоженні долатиме сили зчеплення частинок.
Достатній рівень вологості. Він сприяє зниженню міцності.

Ці чинники мають впливати спільно.

Вологість визначає тривалість деформації просадних ґрунтів. Як правило, воно відбувається протягом відносно короткого часу. Це обумовлено знаходженням землі переважно у маловологій стані.

Деформація у водонасиченому стані триває довше, оскільки відбувається фільтрація води крізь товщу ґрунту.

Методи визначення щільності ґрунту

Відносну просадність визначають за зразками непорушеної структури. Для цього використовується компресійний прилад. щільномір для ґрунту. При дослідженні застосовуються такі методи:

Однією кривою з аналізом одного зразка та його замочуванням на кінцевому щаблі діючого навантаження. За допомогою цього методу можна визначити стисливість ґрунту при заданій або природній вологості, а також відносну схильність до деформації при певному тиску.
Двох кривих з випробуванням 2 зразків з рівним ступенем щільності. Один досліджується при природній вологості, другий – у насиченому стані. Даний метод дозволяє визначити стисливість при повному та природному зволоженні, відносну схильність до деформації при зміні навантаження від нульової до кінцевої.
Комбінований. Цей метод є модифікованим поєднанням двох попередніх. Випробування проводиться на одному зразку. Його спочатку досліджують у природному стані до показника тиску 0,1 Мпа. Використання комбінованого методу дозволяє проаналізувати самі властивості, як і метод 2 кривих.

Важливі моменти

У ході випробувань у густонаміри для ґрунтупри використанні будь-якого з вищезгаданих варіантів необхідно врахувати, що результати досліджень відрізняються значною варіативністю. У зв'язку з цим деякі показники навіть при випробуванні одного зразка можуть відрізнятися в 1,5-3, а в ряді випадків і в 5 разів.

Такі істотні коливання пов'язані з невеликим розміром проб, неоднорідністю матеріалу через карбонатні та інші включення або наявністю великих пір. Значення для результатів мають неминучі помилки щодо.

Чинники впливу

У ході численних досліджень встановлено, що показник схильності ґрунту до просідання залежить переважно від:

Тиск.
Ступені щільності ґрунту при природному зволоженні.
Склад просадного ґрунту.
Рівень підвищення вологості.

Залежність від навантаження відбивається на кривій, за якою при підвищенні показника величина відносної схильності до змін спочатку теж досягає свого максимального значення. При подальшому посиленні тиску вона починає наближатися до нульової позначки.

Як правило, для тиску становить 0,2-0,5 МПа, а для лісоподібних глин - 0,4-0,6 МПа.

Залежність викликана тим, що у процесі навантаження просадного грунту при природному насиченні певному рівні починається руйнація структури. При цьому відзначається різкий стиск без зміни водонасиченості. Деформація по ходу посилення тиску продовжуватиметься, поки шар не досягне гранично щільного свого стану.

Залежність від складу ґрунту

Вона виявляється у тому, що з підвищенні числа пластичності схильності до деформації знижується. Простіше кажучи, більший ступінь мінливості структури притаманний суспесей, менший - для глини. Звичайно, для виконання цього правила інші умови повинні бути рівними.

Початковий тиск

При проектування фундаментів будівель та спорудздійснюється розрахунок навантаження конструкцій на ґрунт. При цьому визначається початковий (мінімальний) тиск, при якому починається деформація при повному насиченні водою. Воно порушує природну структурну міцність ґрунту. Це призводить до того, що нормального ущільнення порушується. Ці зміни, у свою чергу, супроводжуються перебудовою структури та інтенсивним ущільненням.

Враховуючи вищесказане, видається, що на етапі проектування при організації будівництва величину початкового тиску слід приймати близько до нуля. Однак на практиці це не так. Зазначений параметр слід використовувати такий, при якому товща вважається за загальними правилами непросадочною.

Призначення показника

Початковий тиск використовується при розробці проектів фундаментів на просадних ґрунтахдля визначення:

Розрахункового навантаження, за якого змін не буде.
Розмір зони, в межах якої відбуватиметься ущільнення від маси фундаменту.
Необхідної глибини деформації ґрунту або товщини ґрунтової подушки, що повністю виключають деформації.
Глибина, від якої починаються зміни від маси ґрунту.

Початкова вологість

Нею називають показник, при якому ґрунти в напруженому стані починають просідати. За нормальне значення щодо початкової вологості приймається складова 0,01.

Метод визначення параметра виходить з компресійних лабораторних випробуваннях. Для дослідження потрібно 4-6 зразків. Використовується метод двох кривих.

Один зразок випробовують при природній вологості із завантаженням до максимального тиску окремими ступенями. При ньому ґрунт замочується до стабілізації просідання.

Другий зразок спочатку насичують водою, а потім при безперервному замочуванні завантажують до граничного тиску тими ж щаблями.

Зволоження інших зразків здійснюється до показників, які поділяють межу вологості від початкового до повного водонасичення відносно рівні проміжки. Потім їх досліджують у компресійних приладах.

Підвищення досягається за рахунок заливання у зразки розрахункового об'єму води з подальшим витримуванням протягом 1-3 діб до стабілізації насичення.

Деформаційні характеристики

Як них виступають коефіцієнти стисливості та її мінливості, модуль деформації, відносний стиск.

Модуль деформації використовують із розрахунку можливих показників осад фундаменту та його нерівномірності. Як правило, його визначають у польових умовах. Для цього зразки ґрунту зазнають статичними навантаженнями. На значення модуля деформації впливають вологість, рівень щільності, структурна зв'язність та міцність ґрунту.

При підвищенні маси ґрунту цей показник підвищується, за більшого насичення водою знижується.

Коефіцієнт мінливості стисливості

Він визначається як відношення здатності до стиснення при встановлюваній або природній вологості та характеристик ґрунту у водонасиченому стані.

Зіставлення коефіцієнтів, отриманих при польових та лабораторних дослідженнях, показує, що різниця між ними несуттєва. Воно знаходиться в межах 0,65-2 рази. Отже, для застосування практично достатньо визначити показники в лабораторних умовах.

Коефіцієнт мінливості залежить переважно від тиску, вологості, рівня її підвищення. У разі підвищення тиску показник збільшується, зі збільшенням природної вологості - знижується. За повного насичення водою коефіцієнт наближається до 1.

Характеристики міцності

Ними є кут внутрішнього тертя та питоме зчеплення. Вони залежить від структурної міцності, рівня насиченості водою і (у меншою мірою) від щільності. При підвищенні вологості зчеплення зменшується у 2-10 разів, а кут – у 1,05-1,2. Збільшення структурної міцності зчеплення посилюється.

Типи просадних ґрунтів

Усього їх існує 2:

Просідання відбувається переважно в межах деформованої зони основи під дією навантаження фундаменту або іншого зовнішнього фактора. При цьому деформація від своєї ваги майже відсутня або не перевищує 5 см.
Можливе просідання ґрунту від своєї маси. Вона відбувається переважно в нижньому шарі товщі і перевищує 5 см. Під дією зовнішнього навантаження може виникнути просідання і у верхній частині в межах зони, що деформується.

Тип просідання використовується при оцінці умов будівництва, розробці протиосадових заходів, проектуванні основ, фундаменту, самої будівлі.

додаткова інформація

Просідання може виникнути на будь-якому етапі зведення або експлуатації споруди. Виявитися вона може після підвищення початкової вологості просадки.

При аварійному замочуванні грунт просідає в межах зони, що деформується, досить швидко - в межах 1-5 см/сут. Після припинення надходження вологи через кілька діб просідання стабілізується.

Якщо первинне замочування мало місце в межах частини зони деформації, при кожному наступному водонасиченні відбуватиметься просідання до повного зволоження всієї зони. Відповідно, вона збільшуватиметься при підвищенні навантаження на ґрунт.

При інтенсивному та безперервному замочуванні просідання грунту залежить від просування вниз шару зволоження та формування водонасиченої зони. У такому разі просідання почнеться, як тільки фронт зволоження досягне глибини, на якій грунт просідає від власної ваги.

Балів: 1/1

Розрахунок підстав за несучою здатністю у разі, якщо його не можна виконати аналітично, допускається проводити графоаналітичними методами з використанням круглоциліндричних або ламаних поверхонь ковзання, якщо:

Виберіть одну відповідь.

Балів: 1/1

Чи залежать контрольні значення коефіцієнта ущільнення ґрунту від загальної товщини відсипання?

Виберіть одну відповідь.

Балів: 0.9/1

Чи потрібно робити розрахунок за деформаціями підстав споруд від зовнішніх навантажень та власної ваги ґрунту при оцінці граничних станів першої групи?

Виберіть одну відповідь.

	a. ні
	b. так

Балів: 0.9/1

Як здійснюється перехід від однієї позначки до іншої для суміжних фундаментів плит, розташованих на різних відмітках?

Виберіть одну відповідь.

Балів: 1/1

Чи потрібно робити розрахунок за міцністю матеріалів конструкції фундаментів в оцінці граничних станів першої групи?

Виберіть одну відповідь.

	a. так
	b. ні

Балів: 1/1

На яке поєднання навантажень повинен проводитися розрахунок основи несучої здатності?

Виберіть одну відповідь.

	a. на основне поєднання навантажень
	b. на основне та особливе поєднання навантажень
	c. на особливе поєднання навантажень

Основні поняття курсу. Цілі та завдання курсу. Склад, будова, стан та фізичні властивості ґрунтів.

Основні поняття курсу.

Механіка ґрунтіввивчає фізичні та механічні властивості ґрунтів, методи розрахунку напруженого стану та деформацій основ, оцінки до стійкості ґрунтових масивів, тиск ґрунту на споруди.

Ґрунтомназивають будь-яку гірську породу, що використовується при будівництві як основа споруди, середовища, в якому споруда зводиться, або матеріалу для спорудження.

Гірською породоюназивають закономірно побудовану сукупність мінералів, що характеризується складом структурою та текстурою.

Під складоммають на увазі список мінералів, що становлять породу. Структура- Це розмір, форма і кількісне співвідношення частинок, що складають породу. Текстура- Просторове розташування елементів грунту, що визначає його будову.

Всі ґрунти поділяються на природні – магматичні, осадові, метаморфічні – та штучні – ущільнені, закріплені в природному стані, насипні та намиві.

Завдання курсу механіки ґрунтів.

Основним завданням курсу є навчити студента:

Основним законам та важливим положенням механіки ґрунтів;

Властивості грунтів та їх характеристики - фізичні, деформаційні, міцнісні;

методів розрахунку напруженого стану ґрунтового масиву;

Методам розрахунку міцності ґрунтів та осад.

Склад та будова ґрунтів.

Грунт є трикомпонентним середовищем, що складається з твердої, рідкої та газоподібноїкомпоненти. Іноді у ґрунті виділяють біоту- Жива речовина. Тверда, рідка та газоподібна компоненти перебувають у постійній взаємодії, яка активізується в результаті будівництва.

Тверді часткиґрунтів складаються з породоутворюючих мінералів з різними властивостями:

Мінерали інертні щодо води;

Мінерали розчинні у воді;

Глинисті мінерали.

Рідкаскладова присутня в ґрунті в 3-х станах:

Кристалізаційна;

Пов'язана;

Вільне.

Газоподібнаскладова у верхніх шарах грунту представлена атмосферним повітрям, нижче – азотом, метаном, сірководнем та інші газами.

Структура та текстура ґрунту, структурна міцність та зв'язки в ґрунті.

Сукупність твердих частинок утворює скелет ґрунту. Форма частинок може бути незграбною і округлою. Основною характеристикою структури ґрунту є гранулометричний склад,який показує кількісне співвідношення фракцій частинок різного розміру.

Текстура ґрунту залежить від умов його формування та геологічної історії та характеризує неоднорідність ґрунтової товщі у пласті. Розрізняють такі основні види складання природних глинистих ґрунтів: шаруваті, злиті та складні.

Основні види структурних зв'язків у ґрунтах:

1) кристалізаційнізв'язку властиво скельним грунтам. Енергія кристалічних зв'язків можна порівняти з внутрішньокристалічною енергією хімічного зв'язку окремих атомів.

2)водно-колоїднізв'язки обумовлюються електромолекулярними силами взаємодії між мінеральними частинками, з одного боку, плівками води та колоїдними оболонками – з іншого. Величина цих сил залежить від товщини плівок та оболонок. Водно-колоїдні зв'язки пластичні та оборотні; зі збільшенням вологості вони швидко зменшуються до значень близьких до нуля.

Величина структурної міцності ґрунтів є дуже важливою характеристикою ґрунтів. Величину її можна визначити за компресійною кривою непорушеної структури, відчуваючи ґрунти (до досягнення структурної міцності) дуже малими ступенями навантаження (приблизно 0.002-0.010 МПа), тоді різкий перелом компресійної кривої і відповідатиме структурній міцності стиснення ґрунту. Значення тиску, що відповідає точці перетину кривої з віссю тиску дорівнює значенню структурної міцності на стиск .

Малюнока) віднос-е стиснення водонасиченого ґрунту залежно від тиску р, б) віднос-е стиснення глинистого ґрунту при частковому розущільненні залежно від тиску.

Закон ущільнення ґрунту: зміна коефіцієнта пористості ґрунту прямо пропорційно до зміни тиску.

13. Компресійна залежність при об'ємному стисканні

Зміни коефіцієнта пористості еґрунту при компресійному стисканні в загальному випадку залежатимуть не тільки від величини вертикальних нормальних напруг, але і від горизонтальних і

Визначимо суму головних напруг у разі стиснення шару ґрунту без можливості його бічного розширення, виділивши елементарний паралепипед, який в умовах даного завдання відчуватиме лише нормальнішу (головну) напругу

Так як горизонтальні деформації (розширення ґрунту в сторони) неможливі, то горизонтальні відносні деформації дорівнюватимуть нулю тобто. звідки випливає, що . Крім того, з умови рівноваги маємо

Відомо, що відносна деформація пружного тіла відповідно до закону Гука перебуває з виразу

Де -модуль пружності матеріалу, -коефіцієнт бічного розширення ґрунту (коеф. Пуассона). Підставивши в цей вираз , , , отримаємо

Де-коефіцієнт бічного тиску грунту може спокою, тобто. за відсутності горизонтальних переміщень

Більшість глинистих ґрунтів має структурну міцність, а вода в порах цих ґрунтів містить газ у розчиненому вигляді. Ці ґрунти можна розглядати як двофазне тіло, що складається зі скелета і води, що стискає в порах. Якщо зовнішній тиск менший за структурну міцність грунту PСтор . , то процес ущільнення ґрунту не виникає, а будуть лише невеликі пружні деформації. Чим більша структурна міцність ґрунту, тим менше прикладеного навантаження передаватиметься на порову воду. Цьому сприяє також стисливість порової води з газом.

У початковий момент часу на порову воду з урахуванням міцності скелета ґрунту та стисливості води передаватиметься частина зовнішнього тиску P wпро – початкового порового тиску у водонасиченому ґрунті при навантаженні Р. При цьому коефіцієнт початкового порового тиску

В даному випадку початкова напруга в скелеті ґрунту:

Pz 0 = P – P wо. (5.58)

Відносна миттєва деформація скелета ґрунту

 0 = m v (P – P wо). (5.59)

Відносна деформація ґрунту внаслідок стисливості води при повному заповненні пор водою

 w = m w P wо n , (5.60)

де m w- Коефіцієнт об'ємної стисливості води в порах; n– пористість ґрунту.

Якщо прийняти, що в початковому періоді при напругах P zобсяг твердих частинок залишається без зміни, то відносна деформація скелета ґрунту дорівнюватиме відносної деформації порової води:

 0 =  w = . (5.61)

Прирівнявши праві частини (5.59) та (5.60), отримаємо

. (5.62)

Підставляючи P wпро рівняння (5.57), знаходимо коефіцієнт початкового порового тиску

. (5.63)

Коефіцієнт об'ємної стисливості води в порах можна знайти за наближеною формулою

, (5.64)

де J w- Коефіцієнт водонасиченості ґрунту; P a – атмосферний тиск 0,1 МПа.

Епюра вертикальних тисків у шарі ґрунту від навантаження при стисливій поровій воді та структурній міцності ґрунту показана на рис.5.14.

З урахуванням вищевикладеного формулу (5.49) для визначення осаду в часі шару грунту при суцільному рівномірно розподіленому навантаженні з урахуванням структурної міцності і стисливості рідини, що містить газ, можна записати так:

. (5.65)

Рис.5.14. Епюри вертикальних тисків у шарі ґрунту при суцільному навантаженні з урахуванням структурної міцності

Значення Nвизначаємо за формулою (5.46). При цьому коефіцієнт консолідації

Аналогічні зміни можна внести до формул (5.52), (5.53) для визначення осад у часі з урахуванням структурної міцності і стисливості рідини, що містить газоміст, для випадку 1 і 2.

5.5. Вплив початкового градієнта напору

У глинистих грунтах є міцно-і рихлозв'язкова вода і частково вільна. Фільтрація, а отже, і ущільнення шару ґрунту починається тільки в тому випадку, коли градієнт буде більшим за початковий. i 0 .

Розглянемо кінцеве осадження шару ґрунту завтовшки h(рис.5.15), що має початковий градієнт i 0 і завантаженого рівномірно розподіленим навантаженням. Фільтрування води двостороння (вгору та вниз).

За наявності початкового градієнта від зовнішнього навантаження Ру всіх точках по глибині шару в поровій воді виникає напір, рівний P/ w ( w- Питома вага води). На епюрі надлишкових тисків початковий градієнт зобразиться тангенсом кута. I:

Р
іс.5.15. Схема ущільнення ґрунту за наявності початкового градієнта напору: а – зона ущільнення не досягає глибини; б – зона ущільнення розповсюджується на всю глибину, але ущільнення неповне

tg I = i 0 . (5.66)

Тільки в тих областях, де градієнт напору буде більшим за початковий (
), почнеться фільтрація води та відбуватиметься ущільнення ґрунту. На рис.5.15 показано два випадки. Якщо при z < 0,5hградієнт менше початкового i 0 то вода не зможе фільтруватися з середини шару, т.к. виникає "мертва зона". По рис.5.15,а знаходимо