Что изучает механика грунтов?

Что называется грунтом, грунтовые основания, происхождение грунтов?

Грунтами называют любые горные породы коры выветривания земли - сыпучие или связные, прочность связей у которых между частицами во много раз меньше, чем прочность самих минеральных частиц, или эти связи между частицами отсутствуют вовсе. Есть и другое определение грунтов: это горные породы, являющиеся объектом инженерностроительной деятельности человека. Скальные породы и почвы также именуются грунтами.

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 и др.

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

1. Магматические горные породы ( изверженные ГП) образовались при медленном остывании магмы в верхних слоях земной коры (интрузивные породы – гранит, диорит, габбро), а так же при быстром остывании излившейся на поверхность магмы (эффузивные – базальт, порфир)

2. Осадочные ГП образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разложения исходных магматических и метаморфических пород. Бывают: сцементированные - песчаники, доломиты, алэвроиты ; несцементированные - крупнообломочные, песчаные, глинистые лёссы, илы, торфы и почвы;

3. Метаморфические горные породы – образуются в недрах земли из осадочных и магматических пород под действием высокой температуры и давления (сланцы, мрамор, кварциты, гнейсы)

 

 

Составные элементы грунтов.

В большинстве случаев грунты состоят из трех компо­нентов: твердых частиц (твердых тел), воды (жидкого тела) и воздуха или иного газа (газообразного тела), т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между ко­торыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунто­вой массой. В большинстве же случаев в грунте, кроме твер­дых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, либо растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфаз­ной) системой.

В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед (пластичное тело). Он придает грунту специфические свойства, которые при­ходится учитывать, особенно при строительстве в районах рас­пространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой. В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже срав­нительно небольшого количества таких веществ в грунте (свы­ше 3% в песках и 5% в. пылевато-глинистых грунтах), суще­ственно отражается на его свойствах.

6.Твердые минеральные частицы (формы, размеры, классификация, минералогический состав).

Твёрдые частицы представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мК) твёрдых минеральных зёрен.

Минералогический состав твёрдых частиц зависит, главным образом, от состава материнской породы грунтов. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (монтмориллонит) значительно сильнее, причём и характер взаимодействия их будет иным. На их свойства существенно влияют поверхностные явления, интенсивность которых для различных минералов неодинакова.

Кору выветривания верхней оболочки Земли образуют, главным образом следующие элементы:

- кислород O – 49,3%,

- кремний Si – 25,7%,

- алюминий Al – 7,5%,

- железо Fe – 4,7%,

- кальций Ca, натрий Na, калий K, магний Mg – около 10,4%.

Из них большинство находится в форме окислов, из которых 58,2% - окиси кремния SiO₂ и 16% - окиси алюминия Al₂O₃.

Все крупнообломочные и песчаные грунты по размерам минеральных частиц разделяются (по СНиПу) на следующие виды.

1. Крупнообломочные грунты (валунные, галечниковые – при окатанной форме частиц и щебенистые – при остроугольной) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по весу (по массе).

2. Песчаные грунты с содержанием частиц: крупнее 2 мм более 25% по весу (по массе) – гравелистые; крупнее 0,5 мм более 50% по весу (по массе) – крупнозернистые (кр/з); крупнее 0,25 мм более 50% по весу (по массе) – среднезернистые (ср/з); крупнее 0,10мм более 75% по весу (по массе) – мелкозернистые (м/з); крупнее 0,10 мм менее 75% по весу (по массе) – пылеватые (пески). (За песчаные частицы при этом принимают все частицы размером более 0,05 мм, а за пылеватые – от 0,05 до 0,005мм.)

3. Глинистые грунты ввиду их большого разнообразия по величине, форме и минералогическому составу не разделяются на группы. Следует лишь указать, что к глинистым частицам грунтов относят все минеральные частицы размером примерно от 0,01 мкм до нескольких микрометров.

 

Газы в грунтах.

Газы в порах грунтов могут находиться в свободном, адсорбированном, защемленном и растворённом состоянии.

Свободные газы содержатся в сообщающихся порах грунта, т.е. их количество зависит от открытой пористости грунта и степени его водонасыщения Sr. Cвободные газы могут находиться в грунтах лишь при степени влажности Sr < 0,5-0,6. При увеличении Sr до 0,8-0,9 свободные газы постепенно защемляются в порах капиллярной водой и переходят в категорию защемленных [3].

Адсорбированные газы удерживаются на поверхности грунтовых частиц под воздействием молекулярных сил притяжения. В связи с этим в сухом грунте на поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые "пленки", нижние слои которых находятся под давлением в несколько десятков или даже сотен мегапаскалей.

Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от их минерального состава, присутствия гумуса и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов.

Интенсивность адсорбции элементов, составляющих газовую компоненту, на поверхности минеральных частиц меняется согласно следующему ряду:

СО2 > N2 > О2 > Н2

Поэтому адсорбированные газы по составу отличаются от газов, находящихся в свободном состоянии. При увлажнении грунта происходит вытеснение адсорбированных газов водной пленкой [3].

Защемлённые газы образуются при одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху. Защемленные газы могут занимать значительные участки внутри грунта или находиться только в небольших количествах в тончайших микропорах [2].

Растворенные газы образуются за счет растворения в поровом растворе. При этом в зависимости от состава газа и растворителя могут формироваться поровые растворы, обусловливающие их различную химическую агрессивность, например углекислотную (при растворении СО2 в воде), сернокислую и др.

На образование растворенных газов существенно влияет температура и давление: с увеличением давления растворимость большинства газов возрастает, поэтому их количество в земной коре увеличивается с глубиной. Но по мере нагревания воды количество растворенного воздуха в ней уменьшается [3].

 

ТАБЛИЦА 1.3. РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

Характеристики	Формула
Плотность сухого грунта, г/см^3 (т/м^3)	ρ d = ρ/(1 + w)
Пористость %	n = (1 – ρ d /ρ s)100
Коэффициент пористости	e = n /(100 – n) или e = (ρ s – ρ d)/ρ d
Полная влагоемкость	ω0 = e ρ w /ρ s
Степень влажности
Число пластичности	I p = ω L – ω p
Показатель текучести	I L = (ω – ω p)/(ω L – ω p)

Плотность сложения песчаных грунтов определяется также в полевых условиях с помощью статического и динамического зондирования.

Набухание и усадка грунтов.

Набухание– способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Это может происходить при подъеме уровня грунтовых вод, обильных атмосферных осадках, затоплении местности. Этот процесс происходит в глинах и тяжелых суглинках. Набухающие грунты обычно залегают слоями и нередко встречаются на поверхности земли в сухих районах. При увеличении объема грунта возникает давление набухания (Psw), которое может достигать 0,8 – 1,2 МПа. Такая сила набухания может легко поднять и деформировать здание или сооружения.

Механизм набухания можно представить следующим образом: оно происходит при соприкосновении сухих или слабо влажных грунтов с водой, при этом вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются, частицы грунта раздвигаются и его объем увеличивается. Наиболее сильно поглощает воду и «разбухает» монтмориллонит.

Способность глинистого грунта к набуханию оценивают по величине относительной деформации набухания без нагрузки - esw (ГОСТ 25100-95)или величине относительного набухания(Ананьев, Потапов, 2000):

esw = (hнс - h) / h,

где h – начальная высота образца грунта, hнс – высота образца после набухания.

По этой величине выделяют следующие разновидности глинистых грунтов:

разновидность	esw, д.е.
ненабухающий	< 0,04
слабонабухающий	0,04 – 0,08
средненабухающий	0,08 – 0,012
сильнонабухающий	> 0,012

Усадкой грунтов называется их способность уменьшать свой объем при испарении из них влаги. Свойство усадочности наиболее характерно для дисперсных грунтов с коагуляционными структурными связями - глин (набухающих), илов, торфов и др. Причинами уменьшения объема грунтов при их обезвоживании является уменьшение толщины водных пленок вокруг частиц, постепенное сближение частиц и преобразование при этом коагуляционных контактов в точечные (переходные).

 

Рис.10. Схема сдвигового прибора.

 

Многочисленными экспериментами установлено, что график зависимости предельного сопротивления сдвигу сыпучих грунтов от давления представляет собой прямую, исходящую из начала координат и наклоненную под углом φ к оси давлений.

Рис.11. График сопротивления сдвигу сыпучего грунта.

Эта зависимость может быть выражена уравнением:

,

где φ – угол внутреннего трения грунта.

Это и есть закон Кулона для сыпучих грунтов (1773 г.) - предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Основными видами испытаний связных грунтов на сдвиг будут испытания по закрытой (неконсолидированные испытания) и открытой (консолидированные) системам. Испытания грунтов по первой схеме выполняются таким образом, что плотность и влажность грунта в процессе опыта не меняются, и поэтому такие опыты носят название быстрого сдвига. Испытания по открытой схеме производят после предварительного уплотнения образцов вертикальной нагрузкой до стабилизации осадки, а горизонтальное усилие на образец передается ступенями, при этом каждая ступень выдерживается до стабилизации горизонтальной деформации. Испытания сыпучих грунтов производят по первой схеме, а связных по второй.

Диаграмма испытания глинистых грунтов на сдвиг приведена на рис.12.

Рис.12. График сопротивления сдвигу связного грунта.

Опыты показывают, что диаграмму консолидированного сдвига глинистых грунтов, несмотря на кривизну начального участка, без особых погрешностей можно описать уравнением прямой линии:

.

Это уравнение выражает закон Кулона для связных грунтов: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной консолидации есть функция первой степени от нормального давления.

Т.о. для связных грунтов сопротивление сдвигу характеризуется двумя параметрами: углом внутреннего трения φ и удельным сцеплением с. Если прямую аb продлить влево до пересечения с осью абсцисс, то она отсечет на ней отрезок р_ε. Величину р_ε – называют давлением связности. Используя это давление, параметр сцепления (связности) грунта можно представить в виде:

.

Характеристики сопротивления грунтов сдвигу могут быть так же определены по результатам опытов на трехосное сжатие. Прибор для таких испытаний называется – стабилометром.

Т.о., для расчета оснований зданий и сооружений необходимо определить вышеуказанные прочностные характеристики, а именно: угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта.

Применение метода

Методом послойного суммирования рекомендуется пользоваться, если нужно определить не только основные факторы осадок, но и вторичные или дополнительные, возникающие только в конкретных ситуациях.

Расчет позволяет:

1. Определить осадку отдельно стоячего фундамента или комплекта оснований, расположенных недалеко друг от друга или с ними состыкованных.

2. Используется при расчетах оснований, сделанных из неоднородных материалов. Такие параметры отображаются в изменениях модуля деформации с возрастанием глубины залегания.

3. Как правило, метод дает возможность рассчитать осадку сразу по нескольким вертикалям, причем тут можно опускать параметры угловых переменных, а использовать центральные или периферийные параметры. Но это возможно сделать только при условии, если фундамент имеет слои по всему своему периметру, их толщина и структура одинаковые.

Такие осадки часто возникают от соседних фундаментов, ведь с ростом нагрузки на площадку неизбежно возникают просадки почвы, особенно при использовании мощных тяжелых конструкций. Но тут часто проектировщики сталкиваются с проблемой именно создания этюдов осадок, ведь нужно четко определить по оси вертикали именно те силы, которые возникли от воздействия соседних оснований.

Расчет осадки слоистых оснований выполняется методом послойного суммирования, в основу которого положена выше разобранная задача (основная задача). Сущность метода заключается в определении осадок элементарных слоев основания в пределах сжимаемой толщи от дополнительных вертикальных напряжений σ_ZP, возникающих от нагрузок, передаваемых сооружениям.

Так как в основу этого метода положена расчетная модель основания в виде линейно-деформируемой сплошной среды, то необходимо ограничить среднее давление на основание таким пределом, при котором области возникающих пластических деформаций лишь незначительно нарушают линейную деформируемость основания, т.е. требуется удовлетворить условие

(7.11)

Для определения глубины сжимаемой толщи Н_с вычисляют напряжения от собственного веса σ_Zq и дополнительные от внешней нагрузки σ_ZP.
Нижняя граница сжимаемой толщи ВС основания принимается на глубине z = Н_с от подошвы фундамента, где выполняется условие

(7.12)

т.е. дополнительные напряжения составляют 20% от собственного веса грунта.

При наличии нижеуказанной глубины грунтов с модулем деформации Е≤5 МПа должно соблюдаться условие

(7.13)

Для оснований гидротехнических сооружений по СНиП 2.02.02—85 «Основания гидротехнических сооружений» нижняя граница активной зоны находится из условия

(7.14)

Расчет осадки удобно вести с использованием графических построений в следующей последовательности (рис. 7.1 1):

· строят геологический разрез строительной площадки на месте рассчитываемого фундамента;

· наносятся размеры фундамента;

· строятся эпюры напряжений от собственного веса грунта σ_Zg и дополнительного σ_ZP от внешней нагрузки;

· определяется сжимаемая толща Н_с;

· разбивается Н_с на слои толщиной h_i≤0,4b;

· определяется осадка элементарного слоя грунта по формуле
(7.15)

Тогда полную осадку можно найти простым суммированием осадок всех элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи из выражения

(7.16)

где β— безразмерный коэффициент, зависящий от коэффициента относительных поперечных деформаций, принимаемый равным 0,8; h_i — высота i-го слоя; E_i — модуль деформации i-го слоя грунта;

— среднее напряжение i-го элементарного слоя.

Метод послойного суммирования позволяет определять осадку не только ценфальной точки подошвы фундамента. С его помощью можно вычислить осадку любой точки в пределах или вне пределов фундамента. Для этого пользуются методом угловых точек и строится эпюра напряжений вертикальной, проходящей через точку, для которой требуется расчет осадки.

Рис. 7.11. Расчетная схема для определения осадки методом послойного суммирования: DL — отметка планировки; NL — отметка поверхности природного рельефа; FL — отметка подошвы фундамента; ВС — нижняя граница сжимаемой толщи; Нс — сжимаемая толща

Таким образом, метод послойного суммирования в основном используется при расчете небольших по размерам фундаментов зданий и сооружений и при отсутствии в основании пластов очень плотных малосжимаемых грунтов.

Применение метода

Методом послойного суммирования рекомендуется пользоваться, если нужно определить не только основные факторы осадок, но и вторичные или дополнительные, возникающие только в конкретных ситуациях.

Расчет позволяет:

4. Определить осадку отдельно стоячего фундамента или комплекта оснований, расположенных недалеко друг от друга или с ними состыкованных.

5. Используется при расчетах оснований, сделанных из неоднородных материалов. Такие параметры отображаются в изменениях модуля деформации с возрастанием глубины залегания.

6. Как правило, метод дает возможность рассчитать осадку сразу по нескольким вертикалям, причем тут можно опускать параметры угловых переменных, а использовать центральные или периферийные параметры. Но это возможно сделать только при условии, если фундамент имеет слои по всему своему периметру, их толщина и структура одинаковые.

Что изучает механика грунтов?

2. Раздел «Механика грунтов» является теоретической базой раздела «Основания и фундаменты», в котором вопросы фундаментостроения рассматриваются на основе основных закономерностей и особенностей инженерно-геологических и гидрологических условий строительной площадки и ее окружения. Указанные закономерности и особенности составляют предмет изучения спецкурса «Инженерная геология».

3. Механика грунтов – раздел механики сыпучих сред, изучающий напряженно-деформированные состояния, условия прочности и устойчивости, а также изменения свойств грунтов под влиянием внешних (механических) воздействий. Механика грунтов есть механика природных дисперсных (мелко раздробленных) материалов и составляет часть общей геомеханики.

4. Последняя включает в себя глобальную и региональную геодинамику, механику
массивно-кристаллических горных пород, механику трещиновато-блочных пород, механику органо-минеральных масс. В основу механики грунтов положены как законы теоретической механики абсолютно несжимаемых тел, так и закономерности строительной механики деформируемых тел (законы упругости, пластичности, ползучести).

5. Закономерности поведения грунтов также рассматриваются в механике (водопроницаемости, прочности, сопротивления сдвигу).

 

2. Основные понятия и определения курса механики грунтов.

Основание – толща грунтов, на которых возводится сооружение. Оно воспринимает нагрузки и деформируется. При чрезмерных деформациях основания возникают деформации сооружения, которые делают невозможным нормальную эксплуатацию и приводят в авариям.

Основание – это массив грунта, находящийся непосредственно под фундаментом. Различают:

• Естественные, которые сложены природным грунтом
• Искусственные, представляющие собой уплотненные и закрепленные различными способами природные грунты.

Под грунтом понимают рыхлые горные породы, состоящие из отдельных частей, прочность которых намного больше прочности связей между частицами.

Грунты –это любые горные породы, почвы, техногенные образования, являющиеся объектом инженерно – хозяйственной деятельности человека.

Фундаментом называют подземную часть сооружения, передающую нагрузку от надземной части на грунт, который в этом случае становится основанием.

Нижняя плоскость (поверхность) фундамента называется подошвой. Расстояние от поверхности планировки до подошвы называется глубиной заложения фундамента.

 

3. Связь курса с другими дисциплинами.

• ↔ Инженерная геология;
• ← Строительные конструкции;
• ← ТСП;
• ← Техника безопасности;
• ← Экономика и организация производства;
• ← Математический анализ;
• ← Строительная механика;
• ← Теория упругости;
• ← Сопромат.

2. Механика грунтов является теоретической базой расчёта фундаментов.

3. Механика грунтов есть механика природных дисперсных тел, и составляет часть общей геомеханики.

4. Механика грунтов в то же время является одним из разделов строительной механики. В её основу положены как законы теоретической механики (механики твёрдых, абсолютно несжимаемых тел), так и закономерности деформируемых тел (законы упругости, пластичности, ползучести), которые, однако, для построения механики грунтов как науки будут лишь необходимыми, но недостаточными условиями. Если же к зависимостям теоретической механики и строительной механики сплошных деформируемых тел добавить закономерности, описывающие свойства, обусловленные раздробленностью грунтов (сжимаемость, водопроницаемость, сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость), то, рассматривая грунты как природные дисперсные тела в неразрывной связи с условиями их формирования и полном взаимодействии с окружающей физико-геологической средой, можно построить механику грунтов как науку.