Структурная прочность. Структурная прочность грунтов

Рис. 3.4. Компрессионные кривые грунта, обладающего структурной прочностью, в простой (а) и полулогарифмической (б) системе координат.

Более чётко выявляется начало первичного сжатия грунта при использовании компрессионной кривой, построенной в полулогарифмических координатах (рис. 3.4.б). В этом случае компрессионной кривой первичного сжатия будет прямая СД . Продолжение этой прямой вверх до пересечения с горизонтальной (пунктирной) линией ЕС" , соответствующей значению начального коэффициента пористости е о , позволяет найти величину р о , которую можно рассматривать как значение структурной прочности.

Структурную прочность грунта можно также определить по результатам изменения бокового давления грунта при испытании его в приборе трёхосного сжатия (по Е.И. Медкову) или по моменту возникновения давления в поровой воде.

Уравнение компрессионной кривой с определённым приближением может быть представлено, как показал К. Терцаги, в виде логарифмической зависимости:

, (3.11)

При необходимо учитывать множество факторов. Особое внимание следует уделять составу и Некоторые ее виды способны при повышении влажности в напряженном под собственной массой или от внешней нагрузки проседать. Отсюда и название таких грунтов - "просадочные ". Рассмотрим далее их особенности.

Виды

К рассматриваемой категории относят :

• Лессовые грунты (суспеси и лессы).
• Глины и суглинки.
• Отдельные виды покровных суспесей и суглинков.
• Насыпные производственные отходы. К ним, в частности, относят золу, колосниковую пыль.
• Пылевато-глинистые грунты с высокой структурной прочностью.

Специфика

На начальном этапе организации строительства необходимо провести исследование почвенного состава участка для выявления вероятных деформаций. Их возникновение обуславливается особенностями процесса формирования почвы. Слои находятся в недостаточно уплотненном состоянии. В лессовом грунте такое состояние может сохраняться в течение всего времени его существования.

Повышение нагрузки и влажности вызывает, как правило, дополнительное уплотнение в нижних слоях. Однако поскольку деформация будет зависеть от силы внешнего воздействия, недостаточная уплотненность толщи относительно внешнего давления, превышающего напряжения от собственной ее массы, сохранится.

Возможность закрепления слабых грунтов определяется при лабораторных испытаниях по соотношению снижения прочности при увлажнении к показателю действующего давления.

Свойства

Кроме недоуплотненности, для просадочных грунтов характерны низкая естественная влажность, пылеватый состав, высокая структурная прочность.

Насыщение почвы водой в южных районах, как правило, составляет 0,04-0,12. В районах Сибири, средней полосы показатель находится в пределах 0,12-0,20. Степень влажности в первом случае - 0,1-0,3, во втором - 0,3-0,6.

Структурная прочность

Она обуславливается преимущественно цементационным сцеплением. Чем больше влаги поступает в землю, тем ниже прочность.

Результаты исследований показали, что тонкие водяные пленки обладают расклинивающим воздействием на пласты. Они выступают в качестве смазки, облегчают скольжение частиц просадочного грунта. Пленки обеспечивают более плотную укладку слоев под внешним воздействием.

Сцепление насыщенного влагой просадочного грунта определяется влиянием силы молекулярного притяжения. Эта величина зависит от степени плотности и состава земли.

Характеристика процесса

Просадка является сложным физико-химическим процессом. Проявляется она в виде уплотнения грунта вследствие перемещения и более плотной (компактной) укладки частиц и агрегатов. За счет этого снижается общая пористость слоев до состояния, соответствующего уровню действующего давления.

Повышение плотности приводит к некоторому изменению отдельных характеристик. Впоследствии под воздействием давления уплотнение продолжается, соответственно, продолжает повышаться и прочность.

Условия

Для возникновения просадки необходимы:

• Нагрузка от фундамента или собственной массы, которая при увлажнении будет преодолевать силы сцепления частиц.
• Достаточный уровень влажности. Он способствует снижению прочности.

Эти факторы должны воздействовать совместно.

Влажность определяет продолжительность деформации просадочных грунтов . Как правило, она происходит в течение относительно короткого времени. Это обусловлено нахождением земли преимущественно в маловлажном состоянии.

Деформация в водонасыщенном состоянии продолжается дольше, поскольку происходит фильтрация воды сквозь толщу почвы.

Методы определения плотности грунта

Относительную просадочность определяют по образцам ненарушенной структуры. Для этого используется компрессионный прибор - плотномер для грунта . При исследовании применяются следующие методы:

• Одной кривой с анализом одного образца и его замачиванием на конечной ступени действующей нагрузки. С помощью этого метода можно определить сжимаемость почвы при заданной или естественной влажности, а также относительную склонность к деформации при определенном давлении.
• Двух кривых с испытанием 2 образцов с равной степенью плотности. Один исследуется при природной влажности, второй - в насыщенном состоянии. Данный метод позволяет определить сжимаемость при полном и природном увлажнении, относительную склонность к деформации при изменении нагрузки от нулевой до конечной.
• Комбинированный. Этот метод является модифицированным сочетанием двух предыдущих. Испытание проводится на одном образце. Его сначала исследуют в естественном состоянии до показателя давления в 0,1 Мпа. Использование комбинированного метода позволяет проанализировать те же свойства, что и метод 2 кривых.

Важные моменты

В ходе испытаний в плотномерах для грунта при использовании любого из вышеуказанных вариантов необходимо учесть, что результаты исследований отличаются значительной вариативностью. В этой связи некоторые показатели даже при испытании одного образца могут отличаться в 1,5-3, а в ряде случаев и в 5 раз.

Такие существенные колебания связаны с небольшим размером проб, неоднородностью материала из-за карбонатных и прочих включений либо наличием больших пор. Значение для результатов имеют и неизбежные ошибки при исследовании.

Факторы влияния

В ходе многочисленных исследований установлено, что показатель склонности почвы к проседанию зависит преимущественно от:

• Давления.
• Степени плотности почвы при природном увлажнении.
• Состава просадочного грунта .
• Уровня повышения влажности.

Зависимость от нагрузки отражается на кривой, по которой при повышении показателя величина относительной склонности к изменениям сначала тоже достигает своего максимального значения. При последующем усилении давления она начинает приближаться к нулевой отметке.

Как правило, для давление составляет 0,2-0,5 Мпа, а для лессовидных глин - 0,4-0,6 Мпа.

Зависимость вызвана тем, что в процессе нагрузки просадочного грунта при природном насыщении на определенном уровне начинается разрушение структуры. При этом отмечается резкое сжатие без изменения водонасыщенности. Деформация по ходу усиления давления будет продолжаться, пока слой не достигнет предельно плотного своего состояния.

Зависимость от состава почвы

Она выражается в том, что при повышении числа пластичности склонности к деформации снижается. Проще говоря, большая степень изменчивости структуры характерна для суспесей, меньшая - для глины. Естественно, для выполнения этого правила прочие условия должны быть равными.

Начальное давление

При проектировании фундаментов зданий и сооружений осуществляется расчет нагрузки конструкций на грунт. При этом определяется начальное (минимальное) давление, при котором начинается деформация при полном насыщении водой. Оно нарушает естественную структурную прочность почвы. Это приводит к тому, что процесс нормального уплотнения нарушается. Эти изменения, в свою очередь, сопровождаются перестройкой структуры и интенсивным уплотнением.

Учитывая вышесказанное, представляется, что на этапе проектирования при организации строительства величину начального давления следует принимать близкой к нулю. Однако на практике это не так. Указанный параметр следует использовать такой, при котором толща считается по общим правилам непросадочной.

Назначение показателя

Начальное давление используется при разработке проектов фундаментов на просадочных грунтах для определения:

• Расчетной нагрузки, при которой изменений не будет.
• Размера зоны, в границах которой будет происходить уплотнение от массы фундамента.
• Требуемой глубины деформации почвы или толщины почвенной подушки, полностью исключающих деформации.
• Глубины, от которой начинаются изменения от массы грунта.

Начальная влажность

Ею называют показатель, при котором грунты в напряженном состоянии начинают проседать. За нормальное значение при определении начальной влажности принимается составляющая 0,01.

Метод определения параметра базируется на компрессионных лабораторных испытаниях. Для исследования необходимо 4-6 образцов. Используется метод двух кривых.

Один образец испытывают при естественной влажности с загрузкой до максимального давления отдельными ступенями. При нем грунт замачивается до стабилизации просадки.

Второй образец сначала насыщают водой, а затем при непрерывном замачивании загружают до предельного давления теми же ступенями.

Увлажнение остальных образцов осуществляется до показателей, которые разделяют предел влажности от начального до полного водонасыщения на относительно равные промежутки. Затем их исследуют в компрессионных приборах.

Повышение достигается за счет заливки в образцы расчетного объема воды с дальнейшим выдерживанием на протяжении 1-3 суток до стабилизации уровня насыщения.

Деформационные характеристики

В качестве них выступают коэффициенты сжимаемости и ее изменчивости, модуль деформации, относительное сжатие.

Модуль деформации используют для расчета вероятных показателей осадок фундамента и их неравномерности. Как правило, его определяют в полевых условиях. Для этого образцы почвы испытывают статическими нагрузками. На значение модуля деформации влияют влажность, уровень плотности, структурная связность и прочность грунта.

При повышении массы почвы этот показатель повышается, при большем насыщении водой снижается.

Коэффициент изменчивости сжимаемости

Он определяется как отношение способности к сжатию при установившейся или естественной влажности и характеристик грунта в водонасыщенном состоянии.

Сопоставление коэффициентов, полученных при полевых и лабораторных исследованиях, показывает, что различие между ними несущественное. Оно находится в пределах 0,65-2 раза. Следовательно, для применения на практике достаточно определить показатели в лабораторных условиях.

Коэффициент изменчивости зависит преимущественно от давления, влажности, уровня ее повышения. При повышении давления показатель увеличивается, при увеличении естественной влажности - снижается. При полном насыщении водой коэффициент приближается к 1.

Прочностные характеристики

Ими являются угол внутреннего трения и удельное сцепление. Они зависят от структурной прочности, уровня насыщенности водой и (в меньшей степени) от плотности. При повышении влажности сцепление уменьшается в 2-10 раз, а угол - в 1,05-1,2. При увеличении структурной прочности сцепление усиливается.

Типы просадочных грунтов

Всего их существует 2:

1. Просадка происходит преимущественно в пределах деформируемой зоны основания под действием нагрузки фундамента или иного внешнего фактора. При этом деформация от своего веса почти отсутствует или составляет не более 5 см.
2. Возможна просадка почвы от своей массы. Она происходит преимущественно в нижнем слое толщи и превышает 5 см. Под действием внешней нагрузки может возникнуть просадка и в верхней части в границах деформируемой зоны.

Тип просадки используется при оценке условий строительства, разработке противопросадочных мероприятий, проектировании оснований, фундамента, самого здания.

Дополнительная информация

Просадка может возникнуть на любом этапе возведения или эксплуатации сооружения. Проявиться она может после повышения начальной просадочной влажности.

При аварийном замачивании грунт проседает в границах деформируемой зоны достаточно быстро - в пределах 1-5 см/сут. После прекращения поступления влаги спустя несколько суток просадка стабилизируется.

Если первичное замачивание имело место в границах части зоны деформации, при каждом последующем водонасыщении будет происходить просадка до полного увлажнения всей зоны. Соответственно, она будет увеличиваться при повышении нагрузки на почву.

При интенсивном и непрерывном замачивании просадка грунта зависит от продвижения вниз слоя увлажнения и формирования водонасыщенной зоны. В таком случае просадка начнется, как только фронт увлажнения достигнет глубины, на которой грунт проседает от собственного веса.

Совокупность твердых частиц образует скелет грунта. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Основной характеристикой структуры грунта является гранулометрический состав, который показывает количественное соотношение фракций частиц различного размера.

Текстура грунта зависит от условий его формирования и геологической истории и характеризует неоднородность грунтовой толщи в пласте. Различают следующие основные виды сложения природных глинистых грунтов: слоистые, слитные и сложные.

Основные виды структурных связей в грунтах:

1) кристаллизационные связи присуще скальным грунтам. Энергия кристаллических связей соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов.

2) водно-коллоидные связи обуславливаются электромолекулярными силами взаимодействия между минеральными частицами, с одной стороны, и пленками воды и коллоидными оболочками – с другой. Величина этих сил зависит от толщины пленок и оболочек. Водно-коллоидные связи пластичны и обратимы; при увеличении влажности они быстро уменьшаются до значений близких к нулю.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Конспект лекций по механике грунтов

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Состав и строение грунтов
Грунт является трехкомпонентной средой, состоящей из твердой, жидкой и газообразной компоненты. Иногда в грунте выделяют биоту – живое вещество. Твердая, жидкая и газообразная компоне

Физические свойства грунтов
Представим себе некоторый объем трехкомпонентного грунта массой

Понятие об условном расчетном сопротивлении
Важнейшей характеристикой несущей способности грунтов является расчетное сопротивление, которое зависит от физико-механических свойств основания и геометрических параметров фундамен

Механические свойства грунтов
Под механическими свойствами грунтов понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых) и физических (изменение влажности, температуры и

Деформируемость грунтов
Под действием нагрузок, передаваемых сооружением, грунты основания могут испытывать большие деформации. Рассмотрим зависимость осадки штампа

Компрессионные испытания, получение и анализ компрессионных кривых
Компрессией называется одноосное сжатие образца грунта вертикальной нагрузкой при условии отсутствия его бокового расширения. Испытания проводят в компрессионном приборе – одометре (рис. 2.2.).

Деформационные характеристики грунтов
При небольшом изменении сжимающих напряжений (порядка 0,1…0,3 МПа) уменьшение коэффициента пористости грунта пропорционально увеличению сжимающего напряжения. Коэффициент сжимаемости

Водопроницаемость грунтов
Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. Рассмотрим схему фильтрации воды в элеме

Закон ламинарной фильтрации
Экспериментально ученым Дарси было установлено, что скорость фильтрации прямо пропорционально разности напоров (

Закономерности фильтрации воды в сыпучих и связных грунтах
Закон Дарси справедлив для песчаных грунтов. В глинистых грунтах при относительно небольших значениях градиента напора фильтрация может не возникать. Постоянный режим фильтрации устанавливается пос

Сопротивление грунтов при одноплоскостном срезе
Сдвиговой прибор (рис. 2.6.) позволяет при различных заданных нормальных напряжениях определить предельные сдвигающие напряжения, возникающие в момент разрушения образца грунта. Сдвиг (разрушение)

Сопротивление сдвигу при сложном напряженном состоянии. 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. 2.8, а). При постепенном

Прочность грунтов в неконсолидированном состоянии
Изложенное выше соответствует проведению испытаний грунтов в стабилизированном состоянии, т. е. когда осадка образца от действия сжимающего напряжения прекратилась. При незавершенной консо

Полевые методы определения параметров механических свойств грунтов
В тех случаях, когда сложно или невозможно отобрать образцы грунта ненарушенной структуры для определения деформационных и прочностных характеристик используют полевые методы испытаний.

Определение напряжений в массивах грунтов
Напряжения в массивах грунтов, служащих основанием, средой или материалом для сооружения, возникают под воздействием внешних нагрузок и собственного веса грунта. Основные задачи расчета на

Модель местных упругих деформаций и упругого полупространства
При определении контактных напряжений важную роль играет выбор расчетной модели основания и метода решения контактной задачи. Наибольшее распространение в инженерной практике получи

Влияние жесткости фундаментов на распределение контактных напряжений
Теоретически эпюра контактных напряжений под жестким фундаментом имеет седлообразный вид с бесконечно большими значениями напряжений по краям. Однако вследствие пластических деформаций грунта в дей

Распределение напряжений в грунтовых основаниях от собственного веса грунта
Вертикальные напряжения от собственного веса грунта на глубине z от поверхности определяются формулой:

Определение напряжений в грунтовом массиве от действия местной нагрузки на его поверхности
Распределение напряжений в основании зависит от формы фундамента в плане. В строительстве наибольшее распространение получили ленточные, прямоугольные и круглые фундаменты. Таким об

Задача о действии вертикальной сосредоточенной силы
Решение задачи о действии вертикальной сосредоточенной силы, приложенной к поверхности упругого полупространства полученное в 1885 г. Ж. Буссинеском, позволяет определить все компоненты напряжений

Плоская задача. Действие равномерно распределенной нагрузки
Схема для расчета напряжений в основании в случае плоской задачи при действии равномерно распределенной нагрузки интенсивностью

Пространственная задача. Действие равномерно распределенной нагрузки
В 1935 г. А. Лявом были получены значения вертикальных сжимающих напряжений в любой точк

Метод угловых точек
Метод угловых точек позволяют определить сжимающие напряжения в основании по вертикали, проходящей через любую точку поверхности. Возможны три варианта решения (рис.3.9.).

Влияние формы и площади фундамента в плане
На рис. 3.10. построены эпюры нормальных напряжений по вертикальной оси, проходящей чере

Прочность и устойчивость грунтовых массивов. Давление грунтов на ограждения
При определенных условиях может происходить потеря устойчивости части грунтового массива, сопровождающаяся разрушением взаимодействующих с ней сооружений. Это связано с формирование

Критические нагрузки на грунты основания. Фазы напряженного состояния грунтовых оснований
Рассмотрим график зависимости на рис. 4.1, а. Для связного грунта начальный уча

Начальная критическая нагрузка соответствует случаю, когда в основании под подошвой фундамента в единственной точке под гранью фундамента возникает предельное состояние. Выберем в основани

Нормативное сопротивление и расчетное давление
Если допустить под подошвой центрально нагруженного фундамента шириной b развитие зон предельного равновесия на глубину

Предельная критическая нагрузка ри соответствует напряжению под подошвой фундамента, при котором происходит исчерпание несущей способности грунтов основания (рис. 4.1), что привод

Практические способы расчета несущей способности и устойчивости оснований
Принципы расчета оснований фундаментов по I предельному состоянию (по прочности и несущей способности грунтов). Согласно СНиП 2.02.01-83* несущая способность основания считается обеспеченн

Устойчивость откосов и склонов
Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь. Откосы образуются при возведении различного рода насыпей (дамбы, земляные плотин

Понятие о коэффициенте запаса устойчивости откосов и склонов
Коэффициент устойчивости часто принимается в виде: , (4.13) где

Простейшие методы расчетов устойчивости
4.4.1. Устойчивость откосов в идеально сыпучих грунтах (ϕ ≠0; с=0) Имеется откос с углом заложения α, при заданном φ для песка, слагающе

Учет влияния фильтрационных сил
Если уровень подземных вод находится выше подошвы откоса, возникает фильтрационный поток, выходящий на его поверхность, что приводит к снижению устойчивости откоса. В этом случае при рассм

Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения
Предполагается, что потеря устойчивости откоса (склона) может произойти в результате вра

Мероприятия по повышению устойчивости откосов и склонов
Одним из наиболее эффективных способов повышения устойчивости откосов и склонов является их выполаживание или создание уступчатого профиля с образованием горизонтальных площадок (берм) по высоте от

Понятия о взаимодействии грунтов с ограждающими конструкциями (давление покоя, активное и пассивное давление)
Ограждающие конструкции предназначены для удерживания от обрушения находящихся за ними грунтовых массивов. К таким конструкциям относится подпорная стенка, а также стены подвалов и

Определение пассивного давления
Пассивное давление возникает при перемещении стенки в сторону грунта засыпки (рис. 4.9).

Постановка задачи
Расчетные схемы к задаче определения конечной стабилизированной осадки основания от действия нагрузки, передаваемой на грунты через подошву фундамента, представлены на рис. 5.1.

Определение осадок линейно-деформируемого полупространства или слоя грунта ограниченной мощности
Используются строгие решения о распределении напряжений в однородном изотропном массиве грунтов от нагрузок, приложенных на его поверхности. Зависимость между осадкой подошвы центрально-нагруженног

Практические методы расчета конечных деформаций оснований фкндаментов
5.2.1. Расчёт осадок методом послойного суммирования. Метод послойного суммирования (без учёта возможности бокового расширения грунта) рекомендован СНиП 2.02.01-83*.

Расчет осадок методом эквивалентного слоя
Эквивалентный слой – это слой грунта толщиной hэ, осадка которого при сплошной нагрузке на поверхности р0 будет равна осадке грунтового полупространства под возд

Лекция 9
5.3. Практические методы расчёта осадок оснований фундаментов во времени. Если в основании фундаментов залегают водонасыщенные глинистые гр

Основные понятия курса. Цели и задачи курса. Состав, строение, состояние и физические свойства грунтов.

Основные понятия курса.

Механика грунтов изучает физические и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки к устойчивости грунтовых массивов, давление грунта на сооружения.

Грунтом называют любую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения.

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 грунта, определяющее его строение.

Все грунты разделяются на естественные – магматические, осадочные, метаморфические - и искусственные – уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Задачи курса механики грунтов.

Основной задачей курса является обучить студента:

Основным законам и принципиальным положениям механики грунтов;

Свойствам грунтов и их характеристики - физические, деформационные, прочностные;

Методам расчета напряженного состояния грунтового массива;

Методам расчета прочности грунтов и осадок.

Состав и строение грунтов.

Грунт является трехкомпонентной средой, состоящей из твердой, жидкой и газообразной компоненты. Иногда в грунте выделяют биоту – живое вещество. Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействие, которое активизируется в результате строительства.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами:

Минералы инертные по отношению к воде;

Минералы растворимые в воде;

Глинистые минералы.

Жидкая составляющая присутствует в грунте в 3-х состояниях:

Кристаллизационная;

Связанная;

Свободная.

Газообразная составляющая в самых верхних слоях грунта представлена атмосферным воздухом, ниже – азотом, метаном, сероводородом и другими газами.

Структура и текстура грунта, структурная прочность и связи в грунте.

Совокупность твердых частиц образует скелет грунта. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Основной характеристикой структуры грунта является гранулометрический состав, который показывает количественное соотношение фракций частиц различного размера.

Текстура грунта зависит от условий его формирования и геологической истории и характеризует неоднородность грунтовой толщи в пласте. Различают следующие основные виды сложения природных глинистых грунтов: слоистые, слитные и сложные.

Основные виды структурных связей в грунтах:

1) кристаллизационные связи присуще скальным грунтам. Энергия кристаллических связей соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов.

2) водно-коллоидные связи обуславливаются электромолекулярными силами взаимодействия между минеральными частицами, с одной стороны, и пленками воды и коллоидными оболочками – с другой. Величина этих сил зависит от толщины пленок и оболочек. Водно-коллоидные связи пластичны и обратимы; при увеличении влажности они быстро уменьшаются до значений близких к нулю.