Основные и производные фазовые характеристики.

Основные и производные фазовые характеристики.

Фазовые характеристики характеризуют физическое состояние грунтов. Фазовые характеристики бывают основные (удельные вес, удельный вес частиц, влажность), которые определяют лабораторным путем, и производные (удельный вес сухого грунта, пористость, коэффициент пористости), опреде-ляемые с использованием основных.

1. Удельный вес – вес единицы объема грунта с водой в его порах (зависит от влажности и мин. состава):

γ=(G_S+G_W)/(V_S+V_П).

G_S—вес частиц;

G_W -вес воды

Изменяется от 12(биогенные грунты) до 24 кН/м³

2. Удельный вес частиц грунта – отношение веса частиц скелета (получаемого испарением воды)к занимаемому ими объему(зависит от минералогического состава):

γ_S=G_S/V_S.

Изменяется:

· Пески 26,5—26,7

· Глинистые грунты 26—28

· Торфа 14—18

3. Относительная весовая влажность (w) – отношение веса во-ды к весу скелета, выраженное в %. W=(G_W/G_S)*100%

4. Удельный вес сухого грунта – вес единицы объёма грунта без воды в его порах:

γ_d=γ/(1+0,01*W).

5. Оптимальная весовая влажность —такая при которой с минимальными затратами труда достигаем максимальной степени уплотнения грунта.

6. Пористость грунта – отношение объема пор ко всему объему грунта, выраженное в % (n=V_ПОР/V_ГРУНТА):

n=((γ_S- γ_d)/ γ_s)*100%.

· Илы 85—95%

· Мягкие глины 50—60%

· Твердые глины(мергель) 20—30%

7. Коэффициент пористости – отношение объема пор к объему скелета грунта:

е=((γ_S- γ_d)/ γ_d)=n*(100-n).

По нему судят о несущей способности грунта и о его строительных свойствах:

e<0,65—плотный грунт

e>1—очень слабые

 

Характеристики физического состояния грунтов.

Для песчаных грунтов:

Полная молекулярная влагоемкость – это влажность песка, при которой все поры заполнены водой:

W_SAT=(e∙γ_W)/γ_S, где γ_W=10 кН/м³

Степень влажности (индекс влаж-ности, коэффициент водонасы-щения) – отношение естественной влажности к полной влагоемкости:

S_r=W/W_SAT.

· S_r <0,5—маловлажные пески

· 0,5< S_r <0,8—влажные

· 0,8>S_r>1—насыщенные (влагонасыщенные) пески

Степень плотности сложения:

I_d=(e_max-e)/(e_max-e_min)=0…1, где:

е – коэффициент пористости грунта, состояние по плотности сложения которого мы определяем;

e_max – коэффициент пористости в предельно рыхлом состоянии;

e_min – коэффициент пористости в предельно плотном состоянии.

Грунты подразделяют на:

· I_d <1/3— рыхлые

· 1/3< I_d <2/3— средней плотности

· 2/3> I_d >1— плотные

Для глинистых грунтов:

Пластичность – способность его деформироваться под воздействием внешнего давления без разрыва сплошности масс и сохранять принятую форму после приложения усилия.

Предел раскатывания (W_P) – влажность нижнего предела пластичности, т.е. та влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое и наоборот.

Предел текучести (W_L) – влажность верхнего предела пластичности, т.е. влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее и наоборот.

Число пластичности: J_P=W_L-W_P; супесь (1…7), суглинок (7…17), глина (17…)

Консистенция глинистых грунтов определяется показателем текучести: J_L=(W-W_P)/(W_L-W_P),

характеризующим состояние грунта: твердое(<0), пластичное (0…1)((0—0,25)—полутвердое,(0,25—0,5)—тугопластичное,(0,5—0,75)—мягкопластичное,(0,75—1)—текучепластичное), текучее(>1).

 

Скелет грунта. Упрощенная строительная классификация.

Скелет – твердая фаза грунта характеризующаяся, в первую очередь, содержанием и соотношением частиц по крупности, т.е. гранулометрическим составом.

Определенный интервал крупности грунтовых частиц называется фракцией. Дисперсность —степень раздробления вещества на части.Процентное содержание фракций в грунте определяет его гранулометрический состав (методы определения грануло-метрического состава: ситовой, метод профессора Собина). По крупности частицы делятся на крупнообломочные (валуны и глыбы, галька и щебень, гравий и дресва), песчаные (крупные, средней крупности, мелкие), пылеватые (крупные, мелкие) и глинистые. Упрощенная строи-тельная классификация грунтов: глины, суглинки, супеси, пески (по содержанию глинистых частиц в % от массы сухого грунта).

Наименование грунта	Содержание глинистых фракций	Число пластичности	Диаметр шнура, мм
Песок	<3%	<1	Нет
Супесь	3-10	1-7	>3
Суглинок	10-30	7-17	3-1
Глина	>30	>17	<1

 

Основные различия грунтов класса глин и песков.

Различия обусловлены, главным образом, отношением этих грунтов к воде.

1.Влажность глин изменяется в очень широких пределах (от 3 до 600%). Песчаные грунты имеют влажность от 0 до 40 %.

2.По мере увеличения влажности глинистые грунты могут находится в трех состояниях: твердое, пластичное, текучее. Свойства глинистого грунта с увеличением влажности изменяются плавно. Песчаные грунты могут находиться только в сыпучем и текучем состоянии.

3.По мере высыхания глинистый грунт уменьшается в объеме и трескается (дает усадку). Песчаный грунт не меняет своего объема. Возможны лишь небольшие отклонения.

4.Влажные глинистые грунты под действием статической нагрузки дают значительные осадки, а песчаные сжимаются меньше.

5.Сильно влажные глинистые грунты под нагрузкой дают медленно затухающую осадку во времени. У песчаных грунтов осадка во времени затухает быстро. В глинистых грунтах существует «вековая осадка»

6.Песчаные грунты водопрони-цаемы во всех состояниях, а глинистые – почти непроницаемы в твердом и пластичном состояниях (пески – дренажи, глина – водоупор).

 

Поверхностная активность скелета грунта.

Удельной поверхностью грунта назовем суммарную поверхность всех частиц (S_уд) в 1 см грунта. Дисперсные тела называются поверхностно-активными или коллоидными, если поверхностные силы оказывают большое влияние на их свойства. Когда твердая фаза больше жидкой – золь (коллоидный раствор или текучее состояние), если преобладает жидкая фаза – это гель (пластичное состояние).

Поверхностная активность скелета грунта зависит от удельной площади поверхности скелета грунта.

Поры между частицами скелета грунта заполнены водой, нередко совместно с воздухом. Вода покрывает частицы грунта, а воздух присутствует в виде пузырьков большего или меньшего размера. В пограничном слое между твердой и жидкой фазами развиваются физико-химические поверхностные процесс-сы, которые оказывают существен-ное влияние на свойства мелко-дисперсных грунтов, их сжима-емость, устойчивость, формирование грунтовой структуры. Интенсив-ность поверхностных процессов для разных грунтов различная и зависит от площади граничной поверхности, минерального состава грунтовых частиц, химического состава водяных растворах в порах грунта. Чем мельче частица грунта, тем большего удельная площадь поверхности и тем выше физико-механическая активность грунта.

Виды воды и их движение в грунтах. Электроосмос и его применение.

Различают следующие виды воды: молекулярно связная вода (гигроскопическая или адсорб-ционная – прочно связная вода; пленочная – рыхло связная вода); гравитационная (капиллярная и свободная); водяной пар, лед.

Виды движения воды: фильтрация – гравитационное перемещение больших масс воды под влиянием сил тяжести; миграция – перемещение воды под действием других, кроме гравитационных сил – электроосмос, давление паров, замерзание.

Электроосмос (от минуса к плюсу) представляет собой движение под действием электрического поля частиц пленочной воды диффузионного слоя (от анода к катоду). Искусственный электроосмос используется в строительстве для осушения, закрепления и уплотнения глинистых грунтов.

Компрессионная зависимость.

Компрессионная кривая – это представленная в виде графика зависимость коэффициента пористости от сжимающей нагрузки е(Р). Для оценки сжимаемости грунтов в диапазоне реальных (строительных) нагрузок можно заменить компрессионную кривую прямой линией.

Компрессионная зависимость: бесконечно малому изменению внешнего давления соответствует бесконечно малая изменяемость коэффициента пористости.

m_v=m₀/(1+e₁) коэф. отн. сжимаемости

E=β/m_v модуль деформации

 

Гидродинамическое давление воды. Примеры отрицательного и положительного его воздействия.

Путь, по которому движутся элементарные объемы воды через грунт, называют линией тока. Если линии тока не линейны или не параллельны друг другу, то наблюдается пространственный (объемный) поток. Движущаяся вода оказывает определенное влияние на грунтовый скелет, а тот в свою очередь замедляет фильтрацию воды. Силы, действующие на скелет, имеют объемный характер, т.к. их происхождение – гравитационное. Они оказывают существенное влияние на разрыхление и уплотнение грунтов, устойчивость оснований и откосов. Фильтрационный выпор грунта в нижнем бьефе гидротехнического сооружения неизменно ведет к авариям. При проектировании гидротехнических сооружений добиваются снижения выходных градиентов до значений, которые значительно меньше критических. В глинистых грунтах фильтрационный выпор сопровождается отрывом части грунта от его массива.

Вода может выносить из основания глинистые и пылеватые частицы – механическая суффозия. Способствует набуханию грунта.

Устраивают вертикальные дрены, понижают уровень грунтовых вод, используют шпунтовые ограждения.

Расчет осадки фундаментов.

Расчет осадки фундамента производится по формуле: S £ S_u,

где S — конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;

S_u=80 мм — предельная величина деформации основания фундамента зданий и сооружений.

Основным методом определения полной (конечной) осадки фунда­ментов является метод послойного суммирования. Расчёт начинается с построения эпюр природного (бытового) и дополнительного давлений. На геологический разрез наносятся контуры сечения фун­дамента, затем от оси фундамента влево откладываются ординаты эпюр природного давления в кПа, определяемого по формуле:

σ_zg=Σγ_i*h_i

где γi—удельный вес грунта i-ого слоя, кПа

hi—толщина слоя грунта, м

Величина бытового давления определяется на границе каждого слоя грунта. Если в пределах выделенной толщи залегает горизонт подземных вод, то удельный вес грунта определяется с учётом гидро­статического взвешивания:

γ_sb=(γ_s-10)/(1+e)=(γ_s-10)(1-n),

γs=10ρs,

γs — удельный вес частиц грунта, кН/м³

e — коэффициент пористости грунта,

n — пористость в долях единицы,

ρs — плотность грунта,т/м³

Вправо от оси фундамента откладывается эпюра природного давления, уменьшенная в пять раз.

Для построения эпюры дополнительного давления толщина грунта ниже подошвы фундамента в пределах глубины, приблизительно равной трёхкратной ширине фундамента, разбивается на ряд слоёв мощностью не более 0.4b (обычно 0.2b). Дополнительное вертикаль­ное давление непосредственно под подошвой фундамента определяет­ся как разность между средним давлением по оси фундамента и вертикальным напряжением от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:

кПа - полное давление по подошве фундамента,

N – заданная нагрузка на фундамент, кН

А - площадь его подошвы, м²

1. дополнительное вертикальное напряжение σ_zp для любого сечения, расположенного на глубине z от подошвы, определяется по формуле:

где a — коэффициент, принимаемый по таблице в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамент η = l/b и относительной глубины ξ = z/b. Здесь l и b — соответственно длина и ширина фундамента.

2. построив в произвольном одинаковом масштабе эпюры бытового и дополнительного давлений, определяют границу сжимаемой толщи основания, которая находится в точке, где пересекаются эпюры.

3. расчет осадки отдельного фундамента на основании в виде упругого линейно деформируемого полупространства с условным ограничением величины сжимаемой зоны производится по формуле:

где S – конечная осадка отдельного фундамента, см;

n – число слоев, на которые разделена по глубине сжимаемая зона основания;

h_i – толщина i-го слоя грунта основания, см;

E_i – модуль деформации грунта i-го слоя, кПа;

b – безразмерный коэффициент, равный 0,8;

– среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-ом слое грунта, равное полусумме напряжений на верхней и нижней границах слоя, кПа.

Величина осадки ф-та зависит от:

-давление под подошвой ф-та

-при одном и том же давлении осадка будет меньше, если глубина …. Будет больше

-чем шире ф-т при одном и том же давлении, тем больше осадка

-осадка будет больше для обводнённого грунта

Существуют другие методы определения осадок: формулала шлейхера выведена из предположения, что грунт однородный, метод эквивалентного слоя проф-ра Цитовича: заменяем треугольником (для однородного основания или модули деформации по глубине различаются не значительно); метод слоя конечной толщины пр-ра Егорова (если на некоторой глубине находится скальный плотный грунт Еск. значительно больше Е).

Неравномерные осадки ф-нтов и факторы, их обуславливающие

-наличие линз и косослойных напластований.

- пучение при промерзании (прогиб, выгиб, крен).

-просадочные явления.

- повышенная гибкость зданий и соор-ний, самого тела ф-нта (если сборные)

Как уменьшить неравномерность осадок

- путём выравнивания по расчётам.

-улучшить св-ва грунтов у пов-ти (уплотнить)

-увеличить жёсткость надфундаментных конструкций и особенно ф-тов.

 

Виды ростверков на сваях.

Ростверк – конструкция в виде балки или плиты, объединяющая группу свай для передачи и равномерного распределения нагрузок на сваю. Ростверки являются несущими конструкциями, служат для опирания надземных конструкций зданий.

Различают 3 типа свайных ростверков:

Низкий ростверк располагается ниже поверхности грунта. Он способен передавать часть вертикального давления на основание по своей подошве и воспринимать горизонтальные усилия. Если ростверк находится в зоне сезонного промерзания, то на него будут действовать нормальные и касательные силы морозного пучения, поэтому низкие ростверки в пучиноопасных грунтах рекомендуется располагать ниже зоны промерзания или использовать мероприятия, направленные на снижение вредного воздействия в результате промерзания.

Повышенный (промежуточный) устраивают непосредственно на поверхности грунта без заглубления и используют при устройстве свайных фундаментов на непучиноопасных грунтах. Эти ростверки не могут передавать давление на грунт основания, т. к. верхние слои сложены слабыми грунтами.

Высокий расположен на некотором расстоянии от поверхности земли. Их применяют при строительстве мостов и гидротехнических сооружений, под внутренними стенами жилых и гражданских зданий с техническими подпольями и в других случаях.

Опускные колодцы

Конструкции колодцев: во многих случаях проектируются цилиндрической формы, в ряде случаев устраивают сборные конструкции, состоящие из панелей или колец. ОК применяют для устройства фундаментов под тяжелыми сооружениями (мосты, башни и др.), для возведения подземных сооружений. При устройстве фундаментов методом опускного колодца на поверхности грунта возводят пустотелую нижнюю часть фундамента в виде колодца. Через вертикальную полость в колодце с помощью землеройных механизмов из-под него извлекают грунт. Под действием силы тяжести колодец погружается в грунт. По мере опускания колодца его наращивают. После погружения на проектную глубину нижнюю часть колодца заполняют бетонной смесью. Для погружения колодца в окружающий грунт нижнюю часть колодца выполняют в виде специального ножа из листовой стали, а для уменьшения трения грунта о стенки колодца при погружении с внешней стороны делают небольшой уступ, и образующийся зазор заполняют раствором бентонитовой глины, которая поддерживает стенки грунта в процессе погружения. При погружении опускных колодцев необходимо обеспечивать его вертикальное положение, не допуская развития крена. Способ разработки грунта выбирают в зависимости от размеров опускных колодцев, а также инженерно-геологических условий строительной площадки. При значительном объеме земляных работ применяют грейдеры или экскаваторы с бульдозером, опускаемыми в колодец. Последние находясь в колодце, заполняют специальные ковши, которые с помощью крана извлекают на поверхность. При этом способе разработки грунта необходимо предотвращать поступление подземных вод в колодец, что осуществляется с помощью искусственного водопонижения или устройства шпунтовых заграждений. Разработка грунтов грейфером разрешается без устройства водозащитных экранов, но в этом случае внутри колодца необходимо поддерживать повышенный уровень воды в колодце, превышающий уровень подземных вод.

Последовательность выполнения работ:

1. Устройство колодца непосредственно на поверхности грунта.

2. Разработка грунта (опускание колодца).

3. Наращивание колодца (опускание происходит под собственным весом).

4. Погружение колодца на проектную отметку и удаление из него грунта.

5. Заполнение колодца (бетонирование).

Если колодец входит в состав фундамента, то такие колодцы называются массивными.

Если колодец используется в качестве помещения (резервуар и т.д.), то такие колодцы называются легкими или колодцами – оболочками.

Форма колодца в плане может быть различной и определяется, в конечном счете, применяемым материалом.

Проектирование колодцев

1 часть – определение наружных размеров колодца, глубины заложения, предварительной величины и формы поперечного сечения.

2 часть – выбор материала, определение необходимой толщины стен и способа погружения.

Область применения

1.При глубоком залегании хорошего грунта.

2. При больших сосредоточенных нагрузках.

3. При однородных грунтах и малом притоке воды.

4. Для устройства подземных сооружений

 

Исходные данные для проектирования оснований и фундаментов.

1. Климатические условия района.

2. Глубина сезонного промерзания и оттаивания грунта.

3. Сейсмичность площадки и особые условия, осложняющие строительство и эксплуатацию сооружений.

4. Результаты инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, полевых и лабораторных исследований грунтов.

5.Сведения о наличии и свойствах просадочных, вечномерзлых, набухающих, заторфованных, засоленных и насыпных грунтов.

6. Нагрузки на фундаменты.

7. Особенности возводимых и соседних зданий.

8. Глубина заложения коммуникаций.

9. Наличие подвала.

 

Основные и производные фазовые характеристики.

Фазовые характеристики характеризуют физическое состояние грунтов. Фазовые характеристики бывают основные (удельные вес, удельный вес частиц, влажность), которые определяют лабораторным путем, и производные (удельный вес сухого грунта, пористость, коэффициент пористости), опреде-ляемые с использованием основных.

1. Удельный вес – вес единицы объема грунта с водой в его порах (зависит от влажности и мин. состава):

γ=(G_S+G_W)/(V_S+V_П).

G_S—вес частиц;

G_W -вес воды

Изменяется от 12(биогенные грунты) до 24 кН/м³

2. Удельный вес частиц грунта – отношение веса частиц скелета (получаемого испарением воды)к занимаемому ими объему(зависит от минералогического состава):

γ_S=G_S/V_S.

Изменяется:

· Пески 26,5—26,7

· Глинистые грунты 26—28

· Торфа 14—18

3. Относительная весовая влажность (w) – отношение веса во-ды к весу скелета, выраженное в %. W=(G_W/G_S)*100%

4. Удельный вес сухого грунта – вес единицы объёма грунта без воды в его порах:

γ_d=γ/(1+0,01*W).

5. Оптимальная весовая влажность —такая при которой с минимальными затратами труда достигаем максимальной степени уплотнения грунта.

6. Пористость грунта – отношение объема пор ко всему объему грунта, выраженное в % (n=V_ПОР/V_ГРУНТА):

n=((γ_S- γ_d)/ γ_s)*100%.

· Илы 85—95%

· Мягкие глины 50—60%

· Твердые глины(мергель) 20—30%

7. Коэффициент пористости – отношение объема пор к объему скелета грунта:

е=((γ_S- γ_d)/ γ_d)=n*(100-n).

По нему судят о несущей способности грунта и о его строительных свойствах:

e<0,65—плотный грунт

e>1—очень слабые