Механика грунтов

Итак, пылевато-глинистые  грунты, особенно содержащие коллоидные частицы, обладают свойствами пластичности, связности, ползучести, набухаемости при  увлажнении, усадки при высыхании, размокаемости, водонепроницаемости, тиксотропности и т. д.

5. Основные законы механики грунтов.

5.1. Закон компрессии.

По значениям e ( для различных давлений построим кривую е — р (рис. 2, а). Для грунтов, не обладающих структурной прочностью, получим компрессионную кривую — ветвь сжатия 1. Если теперь разгружать образец грунта, уменьшая давление ступенями, то будет наблюдаться обратный процесс — увеличение объема (набухание). При этом поршень одометра переместиться вверх. Зная величину перемещения можно построить ветвь набухания 2.

Кривую зависимости  коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой, так как она характеризует сжимаемость грунта.

Расположение  ветви набухания намного ниже ветви сжатия свидетельствует о том, что грунт обладает значительной остаточной деформацией уплотнения. Ветвь набухания соответствует упругим деформациям грунта и деформациям упругого последействия. Процесс набухания протекает продолжительное время, так как вода медленно входит в поры грунта под всасывающим действием скелета, стремящегося занять первоначальный объем, и расклинивающим действием молекул воды, проникающих между частицами. После снятия всей нагрузки образец грунта не может занять первоначального объема вследствие происшедших при уплотнении грунта взаимных смещений частиц, их разрушения (особенно в точках контактов) и установления новых связей между частицами при более плотном состоянии грунта (в результате сближения частиц при уплотнении).

 

Рис. 2. Компрессионные кривые

а — общая закономерность; б —расчетная схема для определения коэффициента относительной сжимаемости

Поэтому закон  компрессии грунта формулируется так: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.

 

5.2. Закон фильтрации.

 

Уплотнение  водонасыщенного грунта вызывает уменьшение его пористости и, следовательно, влажности. Значит, во время уплотнения грунта выдавливается вода. Она должна пройти некоторый путь в толще грунта, т. е. профильтроваться через него. Процесс уплотнения, очевидно, зависит от скорости отжатия воды из пор.

Как показывают опыты, движение воды в порах грунта происходит в соответствии с законом ламинарной фильтрации.

Математическое  выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид;

V_f=k_f i

где V_f — скорость фильтрации, или объем воды, проходящей через единицу площади поперечного сечения грунта в единицу времени; k_f — коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при гидравлическом градиенте i = 1; i — гидравлический градиент, равный потере напора H₂ — Н₁ = Н отнесенной к пути фильтрации L:

 i=(H₂-H₁)/L                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

Закон ламинарной фильтрации (Дарси) формулируется так: скорость фильтрации V_f прямо пропорциональна гидравлическому градиенту i.

 

5.3 Закон Кулона.

 

Грунты в  основании сооружений, а также  при неодинаковых отметках их поверхности испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Сопротивление грунта сдвигу (предельное) может быть ус- тановлено испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез), путем трехосного сжатия, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, по результатам среза грунта крыльчаткой по цилиндрической поверхности и другими способами.

Если образец  песка 1 поместить в сдвиговой  прибор в виде кольца, разрезанного по горизонтальной плоскости (рис. ), то, приложив силу N и постепенно увеличивая силу Т, можно достигнуть среза (сдвига) одной части образца по другой приблизительно по линии, обозначенной пунктиром. Прибор имеет нижнюю неподвижную обойму 4; верхнюю подвижную обойму 3 и зубчатые фильтрующие пластины сверху и снизу 2.

Если мы проведем несколько таких опытов при различном  вертикальном напряжении σ=N/А (где А — площадь образца в плоскости среза), то получим, что чем больше σ, тем больше предельное сопротивление грунта сдвигу τ_u

 По данным экспериментов построим зависимость предельного сопротивления сыпучего грунта сдвигу τ_u от давления (рис ), На основе многочисленных опытов установлено следующее: для несвязных (идеально сыпучих) грунтов экспериментальные

 

точки в пределах обычных изменений напряжений (до 0,5 МПа) оказываются на прямой, выходящей из начала координат. В таком случае для любого нормального напряжения

τ_ui= σ_i tg φ

где tg φ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт: tg φ =f; φ — угол внутреннего трения.

Эта зависимость  установлена Ш. Кулоном еще в 1773 г. Она выражает закон сопротивления  сыпучих грунтов сдвигу, который  формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона.

 

6. Несущая  способность грунта.

Несущая способность  грунта – одна из основных характеристик  грунтов, по которой определяют возможность  строительства здания или сооружения в данном месте, реконструкции существующего  здания (надстройки, пристройки). Для определения несущей способности грунта необходимо взять пробы грунта в данной местности с использованием ручного зонда и провести необходимые исследования и испытания грунтов в лабораторных условиях. Нередко дефекты конструкций (трещины, нарушение прочностных характеристик и т.д.) являются следствием недостаточной информации о геологических свойствах участка. Так, провал фундамента, как правило, вызывается существенными отличиями грунтов в различных местах основания здания, различиями в несущей способности, различиями в давлении на грунт, неправильными мероприятиями по укреплению грунтов.

Согласно СНиП 2.02.01—83* несущая способность основания  считается обеспеченной при выполнении условия:

 

где F — равнодействующая расчетной нагрузки на основание; γс— коэффициент условий работы, принимается по табл.; Fu — сила предельного сопротивления (равнодействующая предельной нагрузки) основания; γ_n— коэффициент надежности по назначению сооружения, принимается равным 1,2; 1,15; 1,10 для сооружений I, II и III классов соответственно.

Расчет оснований  по несущей способности производится в следующих случаях (по СНиП 2.02.01—83):

- на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки, в том числе систематические (дымовые трубы, башни, подпорные стены, устои и т.п.) (рис. а, б);

- сооружение расположено на откосе или вблизи откоса (рис. в, г);

- основание сложено водонасыщенными глинистыми грунтами при степени влажности Sr> 0,5 (рис. д);

- при действии на фундамент выдергивающей нагрузкой;

- основание сложено скальными грунтами;

- при проверке устойчивости естественных склонов (см. рис. е).

Несущая способность  грунтов – это его основанная характеристика, которую необходимо знать при строительстве дома, она показывает какую нагрузку может выдержать единица площади грунта и измеряется в кг/см² или т/м². Несущая способность определяет, какой должна быть опорная площадь фундамента дома: чем хуже способность грунта выдерживать нагрузку, тем больше должна быть площадь фундамента. Сама несущая способность грунта зависит от трех факторов: тип грунта, степень его уплотненности и насыщенность грунта влагой.

Увеличение  влажности грунта снижает его  несущую способность в несколько  раз. Только крупные пески и пески  средней крупности не меняют своих свойств при увеличении влажности. Избыточная влажность грунта, скорее всего, связана с высоким уровнем грунтовых вод.

7. Взаимодействие  фундамента и основания.

        Фундаментом называется подземная  или подводная часть здания  или сооружения, служащая для передачи усилий от него на грунты основания и, по возможности, более равномерного их распределения, а также уменьшения величины давлений до требуемых значений. Основным назначением любого фундамента является передача нагрузки от несущей конструкций сооружения на грунты основания.  Поскольку напряжения в сечениях несущих конструкций (колонн, стен и др.), устанавливаемые изходя из прочности материалов этих конструкций, во много раз больше давления, которое могут воспринять грунты основания, фундаменты должны так снижать давление по их подошвам, чтобы оно не приводило к недопустимым деформациям основания сооружения.  При значительном развитии подошвы фундамента приходится делать больше выносы в сторону, которые работают на изгиб, при этом в фундаменте возникают растягивающие напряжения.

         Иногда перед фундаментами ставится  еще одна задача - обеспечить уменьшение  неравномерности осадки до допустимых  значений для данного сооружения. С этой целью нагрузку от  группы колонн или стен передают на один фундамент, делая его ленточным или в виде сплошной плиты. Такие фундаменты, работая на изгиб, частично выравнивают осадку.

        Взаимодействие фундаментов с  основанием исследуется с целью  определения: перемещений фундаментов;  внутренних усилий в конструкциях фундаментов; напряжений на контакте фундаментов с основанием (контактных напряжений).

         Параметры взаимодействия фундаментов  с конструктивными элементами  сооружения зависят от конструктивных  характеристик этих элементов  (жесткости основания, размеров сечений и жесткостных характеристик материалов конструкций и т.п.). По этой причине уровень напряженно-деформированного состояния фундаментов также является функцией конструктивных параметров элементов сооружения.

Различают жесткие  фундаменты и фундаменты конечной жесткости. Для жесткого фундамента, как правило, с некоторым приближением принимают прямолинейную эпюру контактных напряжений. Перемещения фундамента определяют как для жесткого тела. Собственными деформациями и прогибами конструкций фундамента пренебрегают.

Всякий грунт, могущий по своим свойствам служить  естественным основанием для возведения на нем сооружения, называют материком. От материка требуется достаточная  прочность и малая равномерная  сжимаемость, неразмываемость, достаточная мощность, невыветриваемость. Достаточная прочность определяется соотношением между весом сооружения на 1 см² площади основания и допускаемым на такую же площадь давлением. При этом учитываются характер нагрузки и глубина заложения фундамента.

Фундаменты должны так распределять нагрузку от дома, чтобы передаваемое ими давление на грунт и разность осадки дома в целом и отдельных его частей не превышали допустимую норму. Для этого необходимо, чтобы несущая способность основания соответствовала тем нагрузкам, которые на нее будут прикладываться в процессе эксплуатации здания. Поэтому площадь основания фундамента выбирается из такого расчета, чтобы на каждый ее квадратный сантиметр приходилась нагрузка, не превышающая критическое значение. Расчетное сопротивление грунтов выбирают, исходя из таблицы СНиП 2.02.01-83.

Таблица 5. Значение расчетных сопротивлений основных видов грунтов.

Грунт	Расчетное        сопротивление	грунтов (кг/см2 )
	Плотных	Средней плотности
Пески гравелистые  и крупные  независимо от их влажности	4,5	3,5
Пески средней  крупности независимо от их влажности	3,5	2,5
Пески мелкие: маловлажные очень влажные  и насыщенные водой	3,0 2,0	2,0 2,5
Пески влажные: маловлажные очень влажные насыщенные  водой	2,5 2,0 1,5	2,0 1,5 1,0
Глины твердые и пластичные: глины твердые глины твердые, пластичные	6,0 3,0	3,0 1,0
Крупнообломочные, щебень, галька, гравий	6,0	5,0