Механика грунтов

 МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Сто вопросов и ответов по основам  механики грунтов.

1. Какие вопросы рассматриваются  в механике грунтов?

Механика грунтов - научная  дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд других вопросов. Механика грунтов является составной частью геомеханики.

2. На результаты исследований каких дисциплин опирается механика грунтов?

Механика  грунтов опирается на результаты научных исследований в области механики сплошных сред (сопротивления материалов, теории упругости, теории пластичности), инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики и гидромеханики, а также на результаты других инженерных дисциплин.

3. Какие задачи ставятся в механике  грунтов?

Задачи прогноза механического поведения грунтов  и грунтовых массивов. Для этого производятся:

• установление физических и механических свойств грунтов и 
  возможности их использования в нужных целях, а, в случае необходимости, 
  и улучшение строительных свойств грунтов;
• определение напряженно-деформированного состояния грунтовых 
  массивов, возможного его изменения в последующем;
• определение  общей  устойчивости  этих  массивов,   взаимодействую-щих с инженерными сооружениями или непосредственно устойчивости их самих, если они являются сооружениями. 
         Таким образом, основная задача - это оценка состояния в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов и массивов из них, прогноз происходящих в них процессов.

4. Какие основные задачи стоят  перед фундаментостроением?

Фундаменты зданий и  сооружений должны быть:

• технически выполнимыми в данных конкретных условиях;
• наиболее подходящими для данного объекта;

      - удовлетворяющими эксплуатационным требованиям;

- экономически оптимальными;

     - удовлетворяющими требованиям безопасности;

     - удовлетворяющими экологическим требованиям.

      Должны  учитываться естественные и технологические процессы, связанные со строительством и существованием фундаментов в пределах сроков, установленных для нормальной эксплуатации зданий или сооружений.

5. Что называется основанием?

Основанием  называется массив грунта, находящийся  непосредственно под сооружением и рядом с ним, который деформируется от усилий, передаваемых ему с помощью фундаментов. Если строительные свойства грунтов основания мы специально не улучшаем и не изменяем, то такое основание называется естественным в отличие от искусственного основания, в котором строительные свойства грунтов преднамеренно нами улучшены для того, чтобы уменьшить сжимаемость грунтов, увеличить их прочность, изменить водопроницаемость и др.

Основания, созданные  искусственно уложенными грунтами в  результате отсыпки с уплотнением или намыва, также называются искусственными.

6. Что называется фундаментом?

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.

7. В каких областях строительства  используются результаты механики грунтов?

В основном результаты механики грунтов используются в строительстве:

• в промышленном и гражданском;
• в гидротехническом;
• транспортном (автодорог и железных дорог);
• мостов;

   - аэродромов;

• подземном;
• военных объектов и объектов специального назначения;
• сельскохозяйственном;
• линейных объектов (линий электропередач, трубопроводов);

-  объектов энергетического хозяйства.

8. Когда в нашей стране впервые  вышел учебник по курсу "Механика грунтов"?

Первый учебник "Основы механики грунтов" был  издан в 1934 г. Его автор профессор Н.А.Цытович (1900-1984). Этот учебник автором далее неоднократно дополнялся и переиздавался в 1940, 1951 и 1963 годах. В последующем четыре раза издавался его краткий курс "Механика грунтов" - в 1969, 1973, 1979 и 1983 годах.

9. Как подразделяются по происхождению горные породы?

   По своему происхождению они подразделяются на:

• магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания  магмы;  они  имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;
• осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и, образуют скальные и нескальные грунты;
• метаморфические, которые образовались в результате действия на магматические, ранее образовавшиеся метаморфические и осадочные породы высоких температур, больших давлений и других факторов выветривания. Они чаще всего классифицируются как скальные грунты.

10. Что следует называть грунтом?

    Грунтами называют любые горные породы, почвы, техногенные образования коры выветривания  Земли - сыпучие или связные, прочность связей у которых между частицами во много раз меньше, чем прочность самих частиц, или эти связи между частицами отсутствуют вовсе. Есть и другое определение грунтов: это горные породы, являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

   Грунты могут  служить:

1) основанием зданий и сооружений;

2)средой для размещения  в них сооружений (например метро, тоннели и др.);

3)материалом самого  сооружения (плотины, насыпи, дороги и др.).

11. Из чего состоят грунты?

   Грунты состоят из:

• твердых частиц (минералов, горных пород, органических остатков и др.);
• воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной        температуре грунта);
• газов (в том числе и воздуха).

Вода и  газы находятся в порах между  твердыми частицами (минеральными и органическими). Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

12. Какие физические характеристики грунта являются основными? ГОСТ 25100-95.

Основными физическими  характеристиками грунта (определяемые непосредственно в лабораторных или полевых условиях) являются:

• плотность грунта - ρ [г/см³]; (удельный вес - γ - [кН/м³]);
• плотность частиц грунта- ρ_s [г/см³]; (удельный вес частиц грунта – γ_s-[кН/м³];);
• природная влажность –w; [в долях единицы];

Остальные физические характеристики могут быть вычислены с их использованием.

     (Справка- ρ г/см³·9,8=γ кН/м³)

13. Что называется плотностью грунта ρ (удельным весом грунта γ)?

Плотностью грунта ρ называется, отношение массы образца грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [г/см³].

14. От чего зависит плотность грунта ρ ?

Плотность грунта ρ зависит от плотности частиц грунта ρ_s, его пористости n и влажности w.

15. Что называется плотностью частиц грунта ρ_s,?

Плотностью частиц грунта ρ_s называется отношение массы частиц грунта к объему, который они занимают. Размерность [г/см³].

16. От чего зависит плотность частиц грунта ρ_s?

Плотность частиц грунта ρ_s, зависит от минералогического состава скелета грунта и степени их дисперсности. У глин она больше, чем у песка при одних и тех же образующих грунт минералах. В глинистом грунте поверхность частиц намного больше, чем в песчаном. Плотность частиц грунта ρ_s  не зависит от его пористости n .

17. Что называется плотностью сухого грунта ρ_d?

Плотностью сухого грунта ρ_d называется отношение массы высушенного грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [г/см³].

18. Каким способом можно измерить объем глинистого грунта с целью определения его плотности?

Тремя способами:

1. по объему вытесненной воды при погружении в нее грунта, который   предвари-тельно   парафинируется  для   предотвращения размокания и попадания воды внутрь образца;
2. с помощью режущего кольца, объем внутренней полости которого определя-ется замером и которое полностью заполняется грунтом.

      3) метод  шурфиков.

19. Что называется пористостью грунта n?

Пористостью п грунта называется отношение объема пор к полному объему образца грунта.

20. Что называется коэффициентом пористости грунта е?

Коэффициентом пористости е или относительной пористостью называется отношение объема пор в образце к объему, занимаемому его твердыми частицами - скелетом, то есть.

.

21. Что называется влажностью грунта W, и какой она бывает? Может ли влажность грунта быть больше единицы (т.е.100 %)?

Влажность грунта бывает весовой и объемной. Весовой  влажностью называется отношение массы воды в образце грунта к массе твердых частиц грунта (скелета). Объемной влажностью называется отношение объема воды в образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта). Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 % (например, у ила, торфа). Поэтому:

                   ; 

22. Что называется степенью влажности S_r, и в каких пределах она изменяется? (справедливо для раздельнозернистых грунтов, т.к. только раздельнозернистые грунты могут быть полностью водонасыщены).

Коэффициентом (индексом) водонасыщенности, или степенью влажности грунта, называется отношение природной влажности грунта w к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой, w_sat. Коэффициент водонасыщенности S_r изменяется от нуля (для абсолютно сухого грунта) до единицы (для полностью водонасыщенного грунта). Он вычисляется по формуле:

                                                                              где ρ_w-плотность воды =1г/см³.

Грунты называются маловлажными при S_r <0,5, влажными при 0,5< S_r <0,8 и насыщенны-ми   водой при S_r >0,8.

23.  Чему равна плотность взвешенного в воде грунта?

Плотность взвешенного в воде грунта ρ_sb равен плотности грунта в атмосфере ρ за вычетом плотности воды ρ_w, то есть:

Эта формула  пригодна для грунта с  любой водонасыщенностью, то есть при полном и неполном заполнении пор водой (в этом случае считается, что воздух, имеющийся в грунте, не замещается водой). Удельный вес грунта, но с полностью заполненными водой порами (W =W_sat ), то есть когда

Плотность взвешенного в воде грунта может быть определена по формуле:

24.  Для каких целей нужны классификация грунтов и классификационные показатели?

Классификация грунтов необходима для объективного присвоения грунту одного и того же наименования и установления его состояния вне зависимости от того, кем и в каких целях они производятся. Наименование и состояние грунта устанавливаются по классификационным показателям.

25. Что называется числом (индексом) пластичности I_р глинистого грунта и что оно показывает?

Числом (индексом) пластичности глинистого грунта называется разность между влажностями на границе текучести W_L и на границе раскатывания или пластичности W_p. Число (индекс) пластичности связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц и может служить классификационным показателем для отнесения глинистого грунта к супеси, суглинку или глине. Т.е. число пластичности необходимо для определения вида глинистого грунта.

При 1<I_p≤7 глинистый грунт называется супесью, при 7<I_p≤17 называется суглинком и при I_p >17 - глиной.  (Здесь І_p в процентах)

26. Что такое показатель консистенции I_l (индекс текучести) глинистого грунта и зависит ли он от естественной влажности W? В каких пределах он изменяется?

Показатель консистенции I_L (индекс текучести) глинистого грунта характеризует состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так и положительным, в том числе и более единицы (грунты текучей консистенции). При изменении I_L в пределах от нуля до единицы грунты имеют пластичную консистенцию.

Показатель консистенции  I_L определяется в долях единицы по формуле:

Для суглинков и глин диапазон изменения I_L от нуля до единицы (пластичное состояние) подразделяется на четыре равных поддиапазона: грунты полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные и текучепластичные.

27. Где и каким образом определяются  характеристики (показатели) свойств    грунтов?