Строительная классификация грунтов

Строительная классификация грунтов принята в соответствии с ГОСТ 25100-2011. Всё многообразие грунтов подразделено на классы скальных (с жесткими структурными связями), дисперсных (с физическими, физико-химическими или механическими структурными связями) и мёрзлых (помимо структурных связей обладают криогенными связями) грунтов.

Грунты с механическими структурными связями выделяют в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями - в подкласс связных грунтов.

Крупнообломочные и песчаные грунты подразделяются на виды согласно их гранулометрическому составу (процентного содержания различных фракций), причем их наименования должны дополняться указанием о степени неоднородности их зернового состава

Крупнообломочные и песчаные грунты также подразделяются по степени влажности . Пески к тому же классифицируются по плотности их сложения в зависимости oт величины коэффициента пористости е, определенного в лабораторных условиях по образцам, отобранным без нарушения природного сложения грунта, или в зависимости от результатов зондирования грунтов.

Глинистые грунты классифицируются в зависимости от числа пластичности  (устанавливается их наименование) и по числу текучести  (устанавливается их консистенция).

Основные классификации приведены в приложении А.

 

ОСновные закономерности механики грунтов

 

Общим методом изучения деформируемых сред является представление о них как о телах, заполняющих пространство сплошным образом. Так как в действительности грунт имеет дискретную структуру (состоит из отдельных частиц), он обладает рядом особенностей. К ним относятся: сжимаемость; водопроницаемость; контактная сопротивляемость сдвигу; структурно-фазовая деформируемость.

 

Сжимаемость грунтов

Рис. 3. Схема одометра (компрессионного прибора)

Сжимаемостью называется способность грунта изменять свое строение под влиянием внешних воздействий за счет уменьшения пористости грунта. Основные показатели сжимаемости грунтов определяются в лабораторных условиях на компрессионных приборах (одометрах) (рис. 3).

Компрессией называется одноосное сжатие образца грунта вертикальной нагрузкой при условии отсутствия его бокового расширения.

Образец грунта 1, помешенный в металлическое кольцо 2, устанавливается на днище 3. Сверху на образец через штамп 5 с помощью нагрузочного устройства отдельными ступенями передается сила F. В днище и штампе имеются тонкие отверстия 4, обеспечивающие отток поровой воды при сжатии образца грунта или, наоборот, поступление воды в грунт, если это требуется при испытаниях. Под действием силы F происходит вертикальное перемещение штампа, вызывающее осадку образца. Величина этих перемещений измеряется индикаторами часового типа 6, устанавливаемыми на штампе одометра.

Деформации уплотнения образца грунта происходят вследствие уменьшения объема пор за счет более компактного размещения частиц, возникновения взаимных микросдвигов частиц, уменьшения толщины водно-коллоидных плёнок и сопровождаются отжатием воды из пор грунта.

На практике результаты компрессии представляют зависимостью коэффициента пористости от давления e = f (p), которую называют компрессионной кривой (рис. 4). Коэффициент пористости при любой деформации рассчитывается по формуле:

,                                            (2.1)

где е _н – начальное значение коэффициента пористости при р = 0.

Форма компрессионной кривой определяется наличием или отсутствием структурной прочности, обусловленной связями между частицами грунта и придающие скелету грунта способность выдерживать некоторую нагрузку до начала разрушения его каркаса.

При небольшом изменении сжимающих напряжений (порядка 0,1…0,3 МПа) уменьшение коэффициента пористости грунта пропорционально увеличению сжимающего давления. Тангенс угла наклона отрезка компрессионной кривой к оси абсцисс (давлений) называется коэффициентом сжимаемости грунта.

Коэффициент сжимаемости , кПа^-1:

.                                         (2.2)

Относительный коэффициент сжимаемости , кПа^-1:

.                                                    (2.3)

Если изменение давления будет бесконечно малым, то изменение коэффициента пористости будет строго прямо пропорционально изменению давления.

Рис. 4. Компрессионные кривые: а – общая закономерность, б – расчетная схема для определения коэффиицента сжимаемости [Далматов]

 

Эта зависимость носит название закона уплотнения грунтов и имеет вид:

                                                      (2.4)

Другой деформационной характеристикой грунтов, использующейся в расчетах осадок оснований, является модуль деформации грунта , кПа:

.                                                  (2.5)

где  зависит от коэффициента бокового давления грунта :

,                                                   (2.6)

, где – коэффициент Пуассона                  (2.7)

Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды.

Рис. 5. Зависимость скорости фильтрации от градиента напора: I – для песка, II – для глины (в разных масштабах). Цытович

Экспериментально ученым Дарси было установлено, что скорость фильтрации прямо пропорционально разности напоров () и обратно пропорциональна длине пути фильтрации :

 ,               (2.8)

где  – гидравлический градиент (градиент напора);  – коэффициент фильтрации (основная фильтрационная характеристика грунта).

Закон ламинарной фильтрации Дарси: скорость движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

Закон Дарси справедлив для песчаных грунтов. В глинистых грунтах при относительно небольших значениях градиента напора фильтрация может не возникать. Постоянный режим фильтрации устанавливается после определенного значения , называемого начальным градиентом напора (рис. 5.).

Закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде:

,                                                          (2.9)

где - коэффициент фильтрации глинистого грунта, определяемый в интервале зависимости между точками 2 и 3;

Прочность грунтов

Под прочностью грунтов понимается их свойство в определенных условиях сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций.

Закон Кулона. Ш. Кулоном экспериментально было установлено, что разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его частицы по другой. Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных грунтов возникает в результате трения между перемещающимися частицами и зацепления их друг за друга. В глинистых грунтах, за счет вводно-коллоидных связей помимо трения между частицами возникает сцепление, обуславливающее сопротивление растяжению при разрушении.

Рис.6. Схема сдвигового прибора

Сдвиговой прибор (рис. 6.) позволяет при различных заданных нормальных напряжениях определить предельные сдвигающие напряжения, возникающие в момент разрушения образца грунта. Сдвиг (разрушение) образца грунта производится по фиксированной плоскости среза.

Экспериментально установлено, что зависимость между предельными сдвигающими напряжениями и нормальными напряжениями в интервале от 0,3 до 0,5 МПа можно с достаточной точностью принять линейной (рис. 7. а, б, в).

Тогда эта зависимость может быть выражена уравнениями:

- для песчаных грунтов: ;                                                      (2.10)

- для глинистых грунтов: ,                                                (2.11)

где  - угол внутреннего трения и С - удельное сцепление являются параметрами прочности грунтов.

Уравнения (2.10) и (2.11) называют законом Кулона для сыпучих и связных грунтов: сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления.

Теория прочности Кулона-Мора. Теория Кулона-Мора рассматривает прочность грунта в условиях сложного напряженного состояния. Пусть к граням элементарного объема грунта приложены главные напряжения (рис. 8, а). При постепенном увеличении напряжения  и постоянной величине напряжения  произойдет сдвиг по некоторой площадке, наклоненной к горизонтальной плоскости, причем промежуточное главное напряжение  будет действовать параллельно этой площадке, никак не влияя на сопротивление грунта сдвигу.

а)	б)
в)	г)
Рис. 8. Положение площадки скольжения (а); ориентация площадок скольжения относительно направления действия главных напряжений (б): (1, 2 – площадки скольжения) Ухов, Знаменский. Огибающие кривые предельных напряжений при сдвиге сыпучих (в) и связных (г) грунтов Цытович

 

В предельном состоянии в каждой точке грунта имеются две сопряженные площадки скольжения, наклоненные под углом  к линии действия максимального и  - минимального главного напряжения (рис. 8, б). Соотношение между главными напряжениями  и  в предельном состоянии, характеризуемыми параметрами прочности  и С, описываются уравнениями:

- для связных грунтов ;                         (2.12)

- для сыпучих грунтов .                                 (2.13)

Выражения (2.12) и (2.13) часто называют условием предельного равновесия грунтов. Их графическое представление показано на рис. 8. (в, г).