Главная задача курса освоение методик расчета грунтовых оснований.

Главная задача курса освоение методик расчета грунтовых оснований.

Практические задачи, связанные с оценкой поведения грунтов, обычно осложняются тремя обстоятельствами:

- грунты очень многообразны и неоднородны;

- поведение грунтов лишь приближенно следует законам механики простейших идеализированных сред (сыпучей, упругой, пластичной и т.д.), в связи с чем точность расчетов оснований в основном ниже, чем расчетов надземных конструкций;

- неправильное прогнозирование поведения грунтов по своим последствиям может быть намного опасней ошибок в оценке надземных конструкций.

 

Связь геотехнических дисциплин с

дисциплинами механико-математического цикла

 

 

 

Краткая история развития фундаметостроения.

В древнем мире и средневековье строители уже хорошо знали, что фундаменты нужно заглублять в грунт и делать их шире стен. При этом ширина принималась тем большей, чем «слабее» грунт. Было известно, что слабые грунты лучше пробивать сваями и опираться на более прочные пласты.

В 13-19 веке фундаментостроение начало переходить на научную основу.Большая заслуга в этом принадлежала таким ученым-инженерам, как Ш. Кулон, К. Моор. в России- В.М. Карлович, А.И. Красовский.

В XX веке механика грунтов оформилась как самостоятельная научная дисциплина. Особую роль в этом сыграл австрийский ученый К. Терцаги, которого многие называют создателем механики грунтов. Немалый вклад в эту науку внесли отечественные специалисты Н.М. Герсеванов, П.А. Минаев, Н.П. Пузыревский, Н.А. Цытович и др. В отечественной практике раньше, чем за рубежом стала применяться теория упругости, раньше осуществлен переход на расчеты по предельным состояниям. Высокого уровня достигли теоретические исследования в сфере статики сыпучих сред.

В настоящее время фундаментостроение развивается в условиях, отличающихся от условий предшествующих веков, как в сторону усложнения, так и упрощения решаемых задач. Усложнения связаны с очень большими объемами строительных работ, сложностью конструкций возводимых объектов, необходимостью освоения районов со все более сложными инженерно-геологическими и природно-климатическими условиями. Упрощения же связаны с возможностью применения более совершенных машин, механизмов, новых эффективных материалов, которых предшествующие поколения строителей не знали.

Основные достижения советского фундаментостроения:

1. обоснование методов строительства на сжимаемых грунтах;

2. строительство на просадочных грунтах;

3. строительство на вечномерзлых грунтах.

Генезис.

Аллювиальные – отложения постоянно действующих водотоков (рек, крупных ручьев); подразделяются на русловые (преимущественно пески и галечниковые грунты), пойменные (как правило, суглинки), старичные (ил, торф)

Морские – отложения морей; подразделяются на прибрежные, или литоральные (песок, гравий, галька); шельфовые (ил, известняк); осадки ложа океана или абиссальные (ил)

Элювиальные – продукты выветривания скальных горных пород оставшиеся на месте образования и сохранившие в той или иной степени структуру и текстуру исходных пород (супеси, пылеватые пески, реже суглинки с примесями дресвы и щебня)

Эоловые – продукты осаждения частиц, переносимых ветром (пески, лессы)

Пролювиальные – отложения в зоне конуса выноса временных или постоянных водотоков (крупнообломочные породы с примесью песка и глины)

Озерные – образуются осаждением частиц на дне озер (сапропели, илы)

Делювиальные – отложения, перенесенные к основанию склона дождевыми и талыми водами (песчаные и глинистые грунты с включениями гальки и щебня)

Ледниковые – отложения рыхлых пород, перенесенных ледником (от песков до суглинков с прослойками и включениями разного состава)

Флювиогляциальные (водно-ледниковые) – отложения, сформировавшиеся потоками воды, образующимися при таянии ледника (пески, реже супеси, суглинки, гравий и галька)

Лимногляциальные (озерно-ледниковые) – отложения, образовавшиеся на дне ледниковых озер (илы, ленточные слоистые глины)

Пределы Аттерберга

Для определения пластических свойств глинистых грунтов точных количественных методов нет. В большинстве стран и в России используют, так называемые, пределы Аттерберга.

Если предел А большой – грунт пластичный (то есть частицы грунта мелкие). Если частицы крупные, предел А меньше.

Для характеристики состояния влажного глинистого грунта приняты:

ω_Р – влажность на границе раскатывания – это влажность, при которой шнур из глинистого грунта диаметром 3 мм начинается крошиться. Грубо это влажность соответствует максимальной молекулярной влагоемкости.

При ω_Р грунт теряет пластичность и начинает приобретать сходство с твердым телом.

ω_L – влажность на границе текучести – влажность, при которой грунт переходит в текучее состояние; она определяется погружением стандартного конуса (вес конуса 76 г, угла 30º при вершине на глубину 10 мм за 6 секунд).

Иногда величины ω_Р, ω_L называют соответственно нижним и верхним пределами пластичности.

Для определения ω_Р, ω_L из исследуемого грунта приготовляется глинистая паста, влажность которой доводится (путем добавления в нее воды или высушивания) до значения, соответствующих ω_Р и ω_L.

Рисунок 2.6.2 – Балансирный конус для определения влажности на границе текучести:
1 – грунт; 2 – конус 30º; 3 – коромысло с двумя балансирными шарами; 4 – ручка; 5 – круговая метка; 6 – подставка.

I_P – число пластичности (или индекс пластичности) – разность между ω_L и ω_Р

Используется как классификационный показатель, характеризующий вид глинистого грунта:

I_P = 1…7 – супесь;

I_P = 7…17 – суглинок;

I_P > 17 – глина.

I_L – показатель консистенции (индекс текучести)

где ω – природная влажность.

Индекс текучести в общих чертах уже характеризует строительные свойства глинистых грунтов, например: твердая и полутвердая глина – надежное грунтовое основание, текуче – пластичный и текучий грунт нельзя использовать в качестве оснований, а мягко – пластичный грунт требует особого внимания при расчете фундаментов.

Для супесей установлена более простая классификация:

I_L < 0 – твердые;

I_L = 0…1 – пластичные;

I_L > 1 – текучие.

Сопротивление грунта сдвигу. Основные понятия.

Основные понятия теории прочности грунта.

Если рассмотреть равновесие отдельной частицы (контактное сопротивление) песчаного грунта на открытом откосе, то можно написать следующее уравнение:

Равновесное положение частицы грунта

где T – сдвигающая сила;

S – удерживающая сила;

G – сила тяжести;

N – нормальная к плоскости сдвига;

Коэффициент трения f равен тангенсу угла естественного откоса.

Под действием внешней нагрузки в отдельных точках грунта напряжения могут превысить внутренние связи между частицами грунта, при этом возникнут скольжения (сдвиги) одних частиц или агрегатов по другим и может нарушиться сплошность грунта в некоторой области, то есть прочность грунта будет превышена.

Под прочностью подразумевают свойства материала сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций, приводящих к недопустимым искажениям формы тела. (До сих пор в физике не разработана единая теория прочности и для различных материалов используются те теории, которые показывают наилучшее соответствие результатам экспериментов).

Внутренним сопротивлением, препятствующим перемещению (сдвигу) частиц в идеально сыпучих телах (чистых песках) будет лишь трение, возникающее в точках контакта частиц. В идеально же связных грунтах (очень вязкие дисперсные глины) перемещению частиц будут сопротивляться только внутренние структурные связи и вязкость водно-коллоидных оболочек частиц.

Природные же глины будут обладать как вязкими (водно – коллоидными), так и жесткими (кристаллизационными) внутренними связями. До тех пор, пока действующими напряжениями внутренние связи не преодолены глины ведут себя как твердое тело, обладающее лишь упругими связями сцепления.

Под силами сцепления будем подразумевать сопротивления структурных связей всякому перемещению связываемых частиц независимо от величины внешнего давления.

Если нагрузка будет такова, что эффективные напряжения превзойдут прочность жестких структурных связей, то в точках контакта минеральных частиц и по поверхностям их водно – коллоидных оболочек сдвижению частиц будут сопротивляться еще оставшиеся и вновь возникающие водно – коллоидные связи.

Разделить эти сопротивления на только трение и только сцепление чаще всего не представляется возможным, так как одновременно будет иметь место как трение сдвигаемых частиц одна по другой, так и преодоление вязких сопротивлений (практических методов разделения и учета нет).

Для характеристики сил трения между частицами внутри массива вводится понятие угла внутреннего трения – φ и удельного сцепления – С.

tgφ – характеризует соотношения между нормальными и сдвигающими напряжениями внутри массива грунта, а С – сопротивление структурных связей всякому перемещению.

Показатели сопротивления сдвигу (φ и С) – это основные прочностные показатели сопротивления грунта внешним силам. Особенности грунта в том, что они переменны и зависят от давления и условий в точках контакта частиц.

Необходимо правильно оценивать характеристики сопротивления сдвигу, так как от этого зависит точность расчетов по определению предельной нагрузки на грунт, устойчивости массива и давления грунтов на ограждения.

Опытное определение сопротивления грунтов сдвигу может производиться различными методами в лабораторных условиях: прямого среза; трехосного сжатия; сжатия-растяжения; испытания в приборе с независимым регулированием трех главных напряжений; испытания в приборе "шариковой пробы".

Особые свойства грунта.

Особые свойства грунта отражают его способность резко изменять свое состояние и объем при различных воздействиях – замачивания, замораживания, вибрации и т.д. Общепринятого названия для таких свойств пока не установлено, поэтому их называют не только «особыми», но и «специфическими», «структурными» и даже «физико-химическими». Такими свойствами обладают не все грунты, а только некоторые их виды. В нормах по инженерным изысканиям (СниП 11-02-96) грунты с такими свойствами отнесены к «специфическим грунтам» (включающим, в частности, и многолетнемерзлые грунты).

К особым свойствам обычно относят размягчаемость, просадочность, набухаемость, пучинистость, плывунность и тиксотропность (чувствительность).

Размягчаемость – способность грунта (обычно полускального) снижать свою прочность при насыщении водой. Размягчаемыми считаются грунты, у которых это снижение превышает 25%.

Просадочность – способность грунта при замачивании не только снижать свою прочность, но и резко уменьшаться в объеме под действием собственного веса или внешней нагрузки. Примерно 15% территории России и стран СНГ характеризуются наличием просадочных грунтов. Просадки таких грунтов – довольно частая причина аварийных состояний строящихся и эксплуатируемых зданий, особенно в южных районах нашей страны.К просадочным грунтам относятся грунты, которые при замачивании дают относительную деформацию не менее 0,01м, что обычно устанавливается путем их компрессионных испытаний с замачиванием.Просадочные грунты, которые при замачивании в полевых условиях (в котлованах) дают под действием собственного веса просадку менее 5см, относятся к грунта первого типа просадочности, более 5см – второго типа.Наиболее типичной разновидностью просадочных грунтов являются лёссы. Это разновидность пылеватых суглинков желто-бурого цвета, малой влажности, с крупными порами («макропористые»). Они характерны для южных районов страны. В средней полосе и на севере более типичны лёссовидные грунты. Это разновидность делювиальных пылеватых суглинков, имеющих сходство с лёссами (наличие крупных пор, малая влажность и т.д.), но обладающих меньшей просадочнотью. В Башкортостане лёссов нет, но лёссовидные грунты имеются (преимущественно первый тип просадочности).

Строительство на просадочных грунтах может основываться на следующих принципах:

- устранение просадочности (трамбование с замачиванием или без него, химическое закрепление, обжиг и т.д.);

- прорезка просадочного слоя сваями;

- приспособление возводимых зданий или сооружений к неравномерным дефомациям;

- предотвращение замачивания.

Последние два принципа обычно применяется при слабо выраженной просадочности. Они предполагают увеличение жесткости зданий путем введения в стены железобетонных поясов, армирование кладки, применение монолитных железобетонных подвалов, или, напротив, увеличение гибкости проектируемых объектов путем их разделения на отсеки осадочными швами.

Набухаемость – способность грунтов при замачивании увеличивать свой объем. К набухающим относятся грунты, которые при замачивании без нагрузки дают относительную деформацию набухания (увеличения линейных размеров) не менее 0,04. Набухаемостью обычно обладают некоторые глины или суглинки, имеющие высокую плотность и малую влажность. При уменьшении влажности набухающие грунты дают усадку, выражающуюся в появлении трещин.Строительство на набухающих грунтах обычно основывается на применении свайных фундаментов, приспособлении возводимых зданий или сооружений к неравномерным деформациям, предотвращении замачивания.В Башкортостане набухающие грунты встречаются очень редко.

Пучинистость (морозное пучение) – способность грунтов увеличивать свой объем при замерзании. Замерзающий грунт способен всасывать в себя воду из окружающих не промерзших зон, в связи с чем в нем могут образовываться большие линзы льда. В отличие от просадочности и набухаемости, пучинистость характерна для большинства глинистых грунтов, а также мелких пылеватых песков на всей территории России. По этой причине пучение и последующее оттаивание является основной причиной недопустимых деформаций строящихся зданий, когда нагрузки на основания еще далеки от расчетных величин.Главное средство борьбы с опасностью пучения – предотвращение промерзания основания (закладка фундамента ниже уровня промерзания грунта, а при строительстве в зимних условиях – недопущение промораживания дна котлованов, в том числе утепление котлованов опилками, сухими листьями, минераловатными матами и т.д.)В Башкортостане пучинистость грунтов проявляется в той или иной форме повсеместно, так как песков на территории республики очень мало.

Плывунность – способность грунтов приобретать свойства вязкой жидкости, т.е. течь, оплывать при устройстве котлованов и траншей. Плывунными обычно бывают мелкозернистые и пылеватые пески, содержащие коллоидные частицы (менее 0,0001мм), которые выполняют функцию смазки. Если плывунность грунтов проявляется только при интенсивной фильтрации через них воды, то такие грунты называют ложными плывунами, если плывунность проявляется во всех условиях – истинными плывунами.

Тиксотропность (чувствительность) – способность грунтов при резких механических воздействиях разрушать свою структуру, течь, а при последующем отсутствии таких воздействий – восстанавливать структурные связи. Таким свойством обладают обычно водонасыщенные высокопластичные глины. Они способны при перемятии снижать свою прочность в несколько раз, иногда в десятки раз. На севере Западной Европы имеются глины, которые снижают свою прочность при нарушении структуры в 1000 раз.В Башкортостане большинство глин при нарушении структуры снижает свою прочность лишь на 10…20%.Наиболее известные факты проявления тикситропии в строительной практике – возрастание несущей способности свай в первые 3…6 недель после их забивки («эффект засасывания»).

Метод угловых точек.

В результате сравнения численных решений, оказалось, что напряжение под центром и под углом площадки связаны следующим образом:

 

 

 

При использовании метода угловых точек для определения напряжений σ_z напряжения под центом площадки загружения (подошвы фундамента) находят по той же таблице СНиП, но коэффициент берут в виде:

где b – ширина подошвы фундамента;

коэффициент η – не меняется.

 

 

Пример:

 

Коэффициент α₁ находим, пользуясь соотношениями:

и

Коэффициент α₂ находим, пользуясь соотношениями:

и

Напряжения σ_z на горизонтальной площадке под углом А на любой глубине можно определять из простого соотношения:

 

 

Пользуясь методом угловых точек можно находить вертикальные нормальные напряжения σ_z в любой точке углового массива:

 

 

 

 

 

 

Метод коэффициента постели

В уравнении изогнутой оси балки неизвестными являются w(x) и p(x).

Согласно гипотезе Винклера,

 

где С – коэффициент постели, численно равный давлению при единичном перемещении поверхности грунта.

Основной недостаток гипотезы состоит в том, что она исходит из предположения, что деформации имеют место только в месте приложения нагрузки. Отсутствие деформаций в соседних точках соответствует единственному случаю, когда фундаменты представляют понтоны, погружение которых от нагрузки следует закону Архимеда.

Однако этот способ дает близкие к действительности результаты для конструкций, опирающиеся на слабые грунты, имеющие малое сопротивление сдвигу.

В последнее время для учета различия свойств основания в плане широко используют переменный коэффициент постели.

 

40 Предельное напряженное состояние оснований. Предельным напряженным состоянием массива грунта является такое, при котором малейшее добавочное силовое воздействие или малейшее уменьшение прочности грунта может привести к нарушению существующего равновесия – к потере устойчивости массива грунта (возникновению в нем поверхностей скольжения, развитию различных деформаций сдвигов, нарушению природной структуры).Обычно нарушение существующего равновесия может приводить к выпору грунта из-под фундаментов, что сопровождается большой осадкой. Поскольку для большинства сооружений это недопустимо, очень важно правильно определять максимально возможную нагрузку на грунтовое основание.   Различают три фазы работы грунтового основания. Ι фаза. Фаза уплотнения. Осадки пропорциональны давлению, в грунтовом массиве сдвиговых деформаций практически нет. Эта фаза ограничивается величиной давления. РН.К. – начальное критическое давление. При расчете оснований по ΙΙ группе предельных состояний (по деформациям) величина давления под подошвой фундамента не должна превышать РН.К. Тогда методика расчета осадок с использованием модели линейно-деформируемого полупространства правильна. ΙΙ фаза. Фаза сдвигов. В грунтовом массиве (основании) в отдельных точках появляются сдвиговые (пластические) деформации, которые с увеличением нагрузки (давления) растут и в конце фазы определяемом РК.К. – конечное критическое давление, сдвиговые деформации сливаются, образуются поверхности скольжения. В этот момент начинается потеря устойчивости всего массива. ΙΙΙ фаза. Характеризуется наличием сплошных поверхностей скольжения, что означает полную потерю устойчивости основания. Смысл расчета на прочность и устойчивость заключается в определении для данного грунтового массива РК.К..После его определения назначается безопасное давление на грунт с учетом коэффициента безопасности (≈1,5)   I Фаза II Фаза III Фаза

Расчет конечных осадок

Деформации основания подразделяют на:

Осадки - вертикальные перемещения подошвы фундамента. Они вызываются уплотнением грунтов без коренного изменения их структуры и происходят под воздействием внешних нагрузок от сооружения, а также под действием собственного веса грунта.

Просадки - деформации, происходящие в результате уплотнения и при коренном изменении структуры грунта под воздействием влаги и внешних нагрузок, в т.ч. собственного веса грунта (замачивание лессовидных грунтов, оттаивание вечномерзлых грунтов и др.),

Подъемы и осадки - деформации, связанные с изменением объема некоторых грунтов при изменении их влажности или воздействии химических веществ (набухание и усадка) и при замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта).

Оседания - деформации земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий, понижением уровня подземных вод, карстово-суффозионными процессами и т.п.;

Горизонтальные перемещения - деформации, происходящие под воздействием горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных систем, подпорные стены и т.д.) или со значительными вертикальными перемещениями поверхности при оседаниях, просадках грунтов от собственного веса и т.п.

Провалы - деформации земной поверхности с нарушением сплошности грунтов, образующиеся вследствие обрушения толщи грунтов над карстовыми полостями или горными выработками.

Деформации основания в зависимости от причин возникновения подразделяются на два вида:

первый - деформации от внешней нагрузки на основание (осадки, просадки, горизонтальные перемещения);

второй - деформации, не связанные с внешней нагрузкой на основание и проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности основания (оседания, просадки грунтов от собственного веса, подъемы и т.п.).

Совместная деформация основания и сооружения может характеризоваться:

- абсолютной осадкой основания s отдельного фундамента;

- средней осадкой основания сооружения `s;

- относительной неравномерностью осадок двух фундаментов Δs/L;

- креном фундамента (сооружения) i и др.

При работе основания сооружения наибольший интерес для строителей представляет осадка, т. е. вертикальные деформации, происходящие в основании за счет уплотнения грунта.

Следует различать абсолютную величину осадки и разность осадок отдельных частей сооружения. Равномерная осадка сооружения находящегося под воздействием постоянной статической нагрузки, даже при значительных размерах последней, не может представлять опасности для существования сооружения, в то время как разность осадок, хотя бы незначительная может существенно повлиять на работу сооружения. В практике случаев равномерной осадки всех частей сооружения почти не наблюдается, что связано с различием свойств грунтов под отдельными частями сооружения и неравномерностью давления на грунт, различием формы и площади фундаментов.

На базе развития теории расчета основании и обработки результатов наблюдений за осадками зданий разработан метод расчетов фундаментов по предельным деформациям оснований. При этом необходимо, что бы соблюдались условия S_расч≤S_пр ΔS_расч≤ΔS_пр

т. е. расчетная осадка оснований фундаментов S_paс и разность осадок соседних фундаментов ∆S_pacч были меньше предельных значении S_np и ∆S_np, регламентируемые СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений.

Главная задача курса освоение методик расчета грунтовых оснований.

Практические задачи, связанные с оценкой поведения грунтов, обычно осложняются тремя обстоятельствами:

- грунты очень многообразны и неоднородны;

- поведение грунтов лишь приближенно следует законам механики простейших идеализированных сред (сыпучей, упругой, пластичной и т.д.), в связи с чем точность расчетов оснований в основном ниже, чем расчетов надземных конструкций;

- неправильное прогнозирование поведения грунтов по своим последствиям может быть намного опасней ошибок в оценке надземных конструкций.

 

Связь геотехнических дисциплин с

дисциплинами механико-математического цикла