Основы строительного грунтоведения

ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО ГРУНТОВЕДЕНИЯ

Грунтовые основания. Происхождение и условия формирования грунтов

Грунт – любая горная порода или почва, представляющая собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени и служащую основанием, материалом или средой для инженерных сооружений.

Почва – поверхностный плодородный слой грунта, образованный под влиянием биогенного и атмосферного факторов.

Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

Под составом подразумевают перечень минералов, составляющих породу. Структура - это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Текстура - пространственное расположение элементов породы с различным составом и свойствами, определяющее ее строение. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте залегания и бывает массивной, слоистой и сетчатой.

Горная порода, а следовательно, и грунт представляют собой не случайное скопление минералов, а закономерную и определенным образом построенную совокупность. Это имеет исключительно большое значение для строительства. Закономерно построенных совокупностей горных пород в природе выделяется большое, но ограниченное количество. Наличие в природе однотипных грунтов, широко распространенных в разных частях Земли, служит основанием для разработки стандартных приемов строительства и применения типовых конструкций фундаментов.

 

Всякое сооружение располагается на грунтовом основании и составляет с основанием единую систему.

Грунтовое основание – это напластования грунтов, которые воспринимают на себя нагрузки от инженерных сооружений.

Различают естественные основания, сложенные природными грунтами без специальной их предварительной подготовки, и ис­кусственные, представленные уплотненными или закрепленными грунтами природного происхождения, а также образованные твер­дыми отходами производственной и хозяйственной деятельности человека.

Грунты, залегающие непосредственно вблизи земной поверхно­сти, подвержены климатическим, метеорологическим и другим воз­действиям и, как правило, не могут служить надежным основанием. Поэтому часть сооружения обычно заглубляется ниже поверхности земли. Подземную или заглубленную часть сооружения, предназ­наченную главным образом для передачи нагрузки от сооружения на основание, называют фундаментом. Нижнюю поверхность фундамента называют подошвой, расстояние от поверхности пла­нировки грунта до подошвы фундамента — глубиной заложе­ния фундамента.

В зависимости от геологического строения участка застройки, строение основания даже на близко расположенных участках может быть различным (рис. 1). Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, определенным образом сочетающихся в пространстве. Иногда основание может состоять из грунта одного типа.

В случае слоистого напластования грунтов различают несущий слой грунта, на который непосредственно опирается фундамент, и подстилающие слои.

Часто приходится рассмат­ривать грунт как среду, вмеща­ющую инженерные сооружения (подпорные стенки, заглублен­ные и подземные сооружения, трубопроводы, коллекторы и т. п.), и принимать во внима­ние при проектировании не то­лько воздействие сооружения на грунт, но и воздействие грун­та на сооружение.

Многие сооружения (дорож­ные насыпи, ограждающие дам­бы, земляные плотины и т. п.) полностью или в значи­тельной мере возводятся из грун­та как строительного материала, взаимодействуя в то же время с основаниями из грунта естественного происхождения.

 

 

 

Рис. 1. Пример взаимодействия сооружения с основанием:

1 – надземная часть сооружения; 2 – фундамент; 3 – подошва фундамента; 4 – несущий слой основания; 5 – подстилающие слои основания; d – глубина заложения фундамента

 

Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.

Важно иметь в виду, что здания и сооружения существуют не сами по себе, а как комплекс городской или промышленной за­стройки. В этих условиях они строятся вблизи или в примыкании друг к другу, оказывают совместное воздействие на основание и вмещающую среду и, таким образом, могут воздействовать друг на друга. Хозяйственная деятельность комплексов городской и про­мышленной застройки, использование подземного пространства го­родов и промышленных зон приводят к активизации дополнитель­ных процессов в основаниях, что важно учитывать при проектирова­нии и строительстве.

Механика грунтов, вместе с инженерной геологией составляет особый цикл строительных дисциплин, работающих с материалами природного происхождения, свойства которых определены природой и могут существенно различаться.

Закон сжимаемость грунтов

 

Сжимаемость грунтов (осадка или деформация) – способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок (см. ранее).

Для установления основных показателей сжимаемости грунтов производятся их испытания на уплотнение под нагрузкой, когда деформации грунта могут развиваться только в одном направлении и никакие другие силы, кроме внешней нагрузки, не действуют.

Для испытания грунтов на сжимаемость применяются приборы с жесткими стенками (одометры, рис.1) для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении (без возможности бокового расширения).

P

образец грунта

Рис. Схема одометра

металличсекий цилиндр

поршень

база прибора

 

Нагрузку на поверхность грунта прикладывают отдельными возрастающими ступенями. Каждому приращению внешнего давления соответствует определенное изменение влажности w. Зависимость между влажностью и давлением можно изобразить в виде графика: график носит название компрессионной кривой (илл.).

Исследования показали, что компрессионные кривые применимы для оценки сжимаемости любых связных материалов, но для материалов водопроницаемых (например, песков) не могут быть построены по изменению влажности, так как при прекращении нагрузки первоначальная влажность восстанавливается почти мгновенно.

w, %

P, Па

компрессионная кривая

Илл. Компрессионная кривая

 

 

Более общий метод построения компрессионных кривых – метод определения коэффициента пористости по осадкам образцов грунта при уплотнении их в компрессионном приборе.

 

 

Режимы испытания образцов

Под механическими свойствами грунтов понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых) и физических воздействий. Механические характеристики грунтов, в зависимости от действующих напряжений, разделяют на: деформационные, при допредельном по прочности напряженном состоянии грунта, которые определяют способность грунта сопротивляться развитию деформаций; прочностные, при предельном по прочности напряженном состоянии грунта, которые определяют способность грунта сопротивляться разрушению; фильтрационные, для случая грунтовой массы, которые определяют развитие процессов деформирования и разрушения грунта во времени.

Основные схемы лабораторных испытаний представлены на рис.

Основные схемы испытаний образцов:

а – одноосное; б – компрессионное; в – сдвиговое; г – трехосное в стабилометре; д – трехосное в приборе с независимыми главными напряжениями; F_x, F_y, F_z – нормальные силы; Т – сдвигающая сила; σ – нормальные напряжения; τ - касательные напряжения

 

Схему одноосного сжатия (возможно и растяжения) образца применяют только для испытаний прочных связных грунтов (скальные, мерзлые, плотные маловлажные глины). Особенностью данной схемы является отсутствие в образцах боковых напряжений и возможность неограниченного развития боковых деформаций. Схема может быть использована для определения деформационных и прочностных характеристик.

Схема компрессионных испытаний применяется для определения деформационных характеристик сыпучих и связных грунтов. Особенностью данной схемы является невозможность развития боковых деформаций образцов, поскольку испытания грунта происходят в жесткой обойме в виде кольца.

Измерение возникающих боковых напряжений в стандартном компрессионном приборе невозможно.

Схема одноплоскостного сдвига применяется для определения прочностных характеристик сыпучих и связных грунтов. Особенностью данной схемы является наличие фиксированной поверхности разрушения образца и изменчивость значений нормальных и сдвигающих напряжений в процессе сдвига.

Схемы трехосных испытаний применяются для наиболее точного определения деформационных и прочностных характеристик сыпучих и связных грунтов. Различают схемы стабилометрического нагружения цилиндрического образца и нагружения кубического образца независимыми нормальными напряжениями. Особенностями данных схем является возможность разрушения образца по произвольной площадке, где будет предельное соотношение между нормальными и сдвигающими напряжениями.

Испытания образцов проводят по режимам статического и динамического нагружения. Статическое нагружение заключается в медленном изменении прикладываемых к образцам ступеней нагрузки после стабилизации деформаций от предыдущих ступеней. Динамическое нагружение имитирует импульсное или вибрационное воздействие, например от механизмов.

ГОСТ 30416-96 – Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.

2) ГОСТ 5180-84 (2005) – Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

3) ГОСТ 22733-2002 – Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности.

4) ГОСТ 23061-90 – Грунты. Методы радиоизотопных измерений плотности и влажности.

5) ГОСТ 12248-2010 – Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

6) ГОСТ 24143-80 (1987) – Грунты. Метод лабораторного определения характеристик набухания и усадки.

7) ГОСТ 25584-90 (с изм. 1999) – Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации.

8) ГОСТ 28622-90 (2005) – Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости

9) ГОСТ 26263-84 – Грунты. Метод лабораторного определения теплопроводности мерзлых грунтов.

10) ГОСТ 12071-2000 – Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов.

11) ГОСТ 20522-96 – Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний

12) ГОСТ 30672-99 – Грунты. Полевые испытания. Общие положения.

13) ГОСТ 20276-99 – Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости.

14) ГОСТ 19912-2001 – Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием.

15) ГОСТ 25358-82 – Грунты. Метод полевого определения температуры.

16) ГОСТ 24847-81(87) – Грунты. Методы полевого определения глубины сезонного промерзания.

17) ГОСТ 26262-84 – Грунты. Методы полевого определения глубины сезонного оттаивания.

18) ГОСТ 27217-87 (1988) – Грунты. Метод полевого определения удельных касательных сил морозного пучения.

19) ГОСТ 5686-94 – Грунты. Методы полевых испытаний сваями

20) СП (свод правил) 50-101-2004 – Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений

 

ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО ГРУНТОВЕДЕНИЯ