🗊Презентация Механические и строительные свойства и характеристики грунтов

МЕХАНИЧЕСКИЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

Список основных нормативных документов и литературы

Грунты (нем. Grund — основа, почва) — горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунты (нем. Grund — основа, почва) — горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Скальные и полускальные грунты — монолитные грунты с жёсткими структурными связями; Дисперсные грунты — раздельно-зернистые грунты без жёстких структурных связей: связные — глинистые, и несвязные — песчаные и крупнообломочные. Грунты могут использоваться в качестве оснований зданий и различных инженерных сооружений, в качестве материала земляных сооружений (дорог, насыпей, плотин), среды для размещения подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

Дисперсные грунты состоят из твердых минеральных частиц («скелет» грунта), воды и воздуха и, таким образом, представляют собой (при положительной температуре) трехфазную систему. Все грунты различаются между собой многими признаками. Для механики грунтов наиболее важными являются их физические и механические свойства. Дисперсные грунты состоят из твердых минеральных частиц («скелет» грунта), воды и воздуха и, таким образом, представляют собой (при положительной температуре) трехфазную систему. Все грунты различаются между собой многими признаками. Для механики грунтов наиболее важными являются их физические и механические свойства.

Под механическими свойствами понимают способность грунтов сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых) и физических (изменение влажности, температуры и т. п.) воздействий. Под механическими свойствами понимают способность грунтов сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых) и физических (изменение влажности, температуры и т. п.) воздействий. Характеристики механических свойств грунтов (то есть численные величины, отражающие интенсивность проявления свойств), необходимы для расчетов деформаций, оценки прочности и устойчивости грунтовых массивов и оснований.

механические характеристики грунтов делят на 3 группы: механические характеристики грунтов делят на 3 группы: I гр. – для оценки деформативных свойств: mо – коэффициент сжимаемости основания см2/кг, МПа-1; mv– приведенный коэффициент сжимаемости основания; Е0 – модуль общей деформации кг/см2, МПа. II гр. – для оценки фильтрационных свойств: Kф– коэффициент фильтрации см/с; м/сут; Ј – гидравлический градиент. III гр. – для оценки прочностных свойств: φ – угол внутреннего трения (град.); с – коэффициент сцепления кг/см2, МПа.

Выводы по механическим компрессионным свойствам грунтов 1. При изысканиях отбирают пробы грунта, строят график к. к. и определяют mo – это делают обычно инженеры-геологи, а строители оценивают свойства грунта по показателям, полученным от геологов. 2. Основной расчет оснований – по II предельному состоянию (деформациям). В формулу расчета осадки S=hmvP входит величина коэффициента относительного сжатия грунта 

Выводы по механическим компрессионным свойствам грунтов Таким образом, mо является той характеристикой, которая, как правило, решает выбор основания: можно строить или нельзя (тогда возникает необходимость перехода на искусственное основание). В России существует еще одна характеристика сжатия грунта: Е0 – модуль общей деформации грунта.

Водопроницаемость грунтов Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. Она зависит от пористости, гранулометрического и минерального состава грунта, а также от передающегося на воду давления, в том числе нагрузкой от сооружения.

Водопроницаемость грунтов Знание водопроницаемости необходимо во всех расчетах объемов притока или откачки воды. Поскольку уплотнение грунта связано с отжатием из пор воды, то скорость уплотнения также зависит от водопроницаемости. Хозяйственная деятельность при больших ее масштабах может приводить к существенному изменению гидрогеологических условий территории. Вследствие нарушения естественного динамического равновесия в водном балансе последней может произойти подтопление участков освоенных земель, поселков, городов. Возможно и обратное явление, когда исчезают большие водоемы–накопители в результате движения воды сквозь грунтовую толщу.

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

5. Связность (взаимное сцепление частиц) — способность грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок. Типичным представителем связных грунтов являются глина, несвязных грунтов — сухие пески. 5. Связность (взаимное сцепление частиц) — способность грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок. Типичным представителем связных грунтов являются глина, несвязных грунтов — сухие пески.

6. Пластичность — свойство грунта изменять свою форму под действием внешних сил и сохранять эту форму после удаления внешних сил. Наибольшей пластичностью отличаются влажные глины; песок и промытый гравий — материалы непластичные. 6. Пластичность — свойство грунта изменять свою форму под действием внешних сил и сохранять эту форму после удаления внешних сил. Наибольшей пластичностью отличаются влажные глины; песок и промытый гравий — материалы непластичные. Прибор для лабораторного определения физических характеристик грунтов: границы текучести (верхний предел пластичности); границы раскатывания (нижнего предела пластичности).

Ш. Кулоном экспериментально было установлено, что разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его частицы относительно другой. Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных грунтов возникает в результате трения между перемещающими 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. Ш. Кулоном экспериментально было установлено, что разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его частицы относительно другой. Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных грунтов возникает в результате трения между перемещающими 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.

8. Сопротивление сдвигу. Сопротивление грунтов сдвигу -важнейший прочностной показатель, необходимый для расчета устойчивости и прочности оснований, оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов. 8. Сопротивление сдвигу. Сопротивление грунтов сдвигу -важнейший прочностной показатель, необходимый для расчета устойчивости и прочности оснований, оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов. Определение сопротивления сдвигу производят методами: - консолидированного (медленного) сдвига, при котором до приложения сдвигающего усилия образец уплотняют соответствующим вертикальным давлением. Испытание проводится в условиях свободного оттока воды (дренирования). Метод применяется для исследования грунтов в условиях уплотненного состояния и дает возможность оценить прочность основания построенного сооружения; - неконсолидированного (быстрого) сдвига, при котором сдвигающее усилие прикладывается без предварительного уплотнения образца в условиях отсутствия дренирования. Метод применяется для исследования грунтов в условиях нестабилизированного состояния (для суглинков и глин при степени влажности Sr і 0,85 и показателе текучести JL і 0,5).

Сопротивление грунтов сдвигу при одноплоскостном срезе

Сопротивление грунтов сдвигу при одноплоскостном срезе

Сопротивление грунтов сдвигу при одноплоскостном срезе Тогда эта зависимость может быть выражена уравнениями: - для песчаных грунтов: σпр = tgφ (1); - для глинистых грунтов: σпр = tgφ + c (2), где φ - угол внутреннего трения и с - удельное сцепление являются параметрами прочности грунтов. Уравнения (1) и (2) называют законом Кулона для сыпучих и связных грунтов: сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления

Сопротивление сдвигу при сложном напряженном состоянии В предельном состоянии в каждой точке грунта имеются две сопряженные площадки скольжения, наклоненные под углом π/ 4 - φ/ 2 к линии действия максимального и π / 4 + φ/ 2 - минимального главного напряжения (рис. 2.8, б). Соотношение между главными напряжениями σ1 и σ3 в предельном состоянии, характеризуемом параметрами прочности φ и с , описываются уравнениями предельного равновесия: для связных грунтов sin φ = (σ1 – σ3)/(σ1+σ3+σс) (3); для сыпучих грунтов sin φ = (σ1 – σ3)/(σ1+σ3) (4)

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 консолидации водонасышенного глинистого грунта эффективное напряжение в скелете σ , вызывающее уплотнение грунта, всегда меньше полного напряжения и закон Кулона будет иметь следующий вид: τпр = (σ-uw)tgφ+c (5), где uw - избыточное (поровое) давление.

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 формированием в массиве некоторых областей, где соотношение между действующими напряжениями становится таким, что прочность грунта оказывается исчерпанной. Оценка устойчивости массива грунтов основывается на анализе напряжений, возникающих в них от собственного веса и проектируемого сооружения, и сопоставлений с предельными их значениями.

Прочность и устойчивость грунтовых массивов. Давление грунтов на ограждения Условие предельного равновесия в точке грунтового массива характеризуется следующими выражениями теории предельного равновесия: для песка (σ1 – σ3)/(σ1 + σ3) = sinφ (6); для глинистого грунта (σ1 – σ3)/(σ1 + σ3 + 2c*ctgφ) = sinφ (7). Эти выражения позволяют дать оценку напряженного состояния грунта, т. е. установить, находится ли грунт в допредельном или предельном состоянии, а следовательно, насколько устойчив массив. Предельное состояние грунта соответствует точке в рис. 4.1а, где осадка S уходит в бесконечность, т.о. теория предельного равновесия исследует только напряженное состояние массива грунтов и не дает возможности определить развивающиеся в нем деформации.

Критические нагрузки на грунты основания. Фазы напряженного состояния грунтовых оснований Рассмотрим график зависимости s = f (p) на рис. Для связного грунта начальный участок графика Оа будет почти горизонтальным, его протяженность определится величиной σstr структурной прочности грунта, а деформация имеет упругий характер. При увеличении давления (участок аб) осадка возрастает, развивается процесс уплотнения за счёт уменьшения пористости грунта. Зависимость s = f (p) близка к линейной, осадки стремятся к постоянной величине (4.1, б). Ни в одной точке основания не формируется предельное состояние.

Критические нагрузки на грунты основания. Фазы напряженного состояния грунтовых оснований Наибольшее напряжение, ограничивающее этот участок, называется начальной критической нагрузкой pнач кр., а изменение нагрузки от 0 до pнач кр. характеризует фазу уплотнения грунта. При изменении давления под подошвой фундамента от 0 до pнач кр. ни в одной точке основания не возникает предельное состояние, т.е. происходит только уплотнение грунта, что абсолютно безопасно для основания. При дальнейшем увеличении нагрузки (участок бв рис.4.1, а) в точках, расположенных под краями фундамента, касательные напряжения по некоторым площадкам становятся равными их предельным значениям. По мере возрастания нагрузки эти точки объединяются в зоны, размеры которых увеличиваются. Возникают сдвиговые деформации, имеющие пластический характер. График зависимости s = f (p) всё больше отклоняется от линейного. Участок бв называют фазой сдвигов.

Критические нагрузки на грунты основания. Фазы напряженного состояния грунтовых оснований Концу этой фазы соответствует предельная критическая нагрузка рu, при которой в основании образуются замкнутые области предельного равновесия и происходит потеря устойчивости грунтов, т. е. полное исчерпание несущей способности. В зависимости от глубины заложения подошвы фундамента d/b очертания областей предельного равновесия имеют различный характер (рис. 4.2). Нагрузки, соответствующие pнач кр. и рu, называют критическими нагрузками, их определяют методами теории предельного равновесия.

Начальная критическая нагрузка Начальная критическая нагрузка соответствует случаю, когда в основании под подошвой фундамента в единственной точке под гранью фундамента возникает предельное состояние. В модели линейно-деформируемой среды полные напряжения в точке М определятся как:

Начальная критическая нагрузка Соотношение для самой нижней точки, в которой возможно предельное состояние от подошвы фундамента:

Предельная критическая нагрузка Предельная критическая нагрузка рu соответствует напряжению под подошвой фундамента, при котором происходит исчерпание несущей способности грунтов основания (рис. 4.1), что приводит к выдавливанию грунта из-под фундамента и его огромнейшей осадке (рис. 4.2). Нагрузка, соответствующая рu, приводит к полной потере устойчивости грунта основания и является абсолютно недопустимой для проектируемого сооружения. Решением этой задачи занимались Л. Прандль, К. Терцачи, В. В. Соколовский, М. В. Малышев. На рис. 4.3. представлена одна (левая) область предельного равновесия и два «семейства» линий скольжения, которые образуют ромбы скольжения с определенными углами наклона линий. Наиболее полное решение этой задачи получено в 1952 году В.В.Соколовским.

Предельная критическая нагрузка где Nγ, Nq, N c = f(φ, δ) – затабулированные безразмерные коэффициенты. Приведенные решения справедливы при относительно небольших глубинах заложения фундаментов и однородном строении основания, поэтому в практике обычно используют инженерные способы, в той или иной мере учитывающие строгие решения теории предельного равновесия.

Для определения угла естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии используют прибор УВТ, под водой — ВИА . Для определения угла естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии используют прибор УВТ, под водой — ВИА .

10. Сопротивление грунта вдавливанию. 10. Сопротивление грунта вдавливанию. Статическое зондирование, применяемое с 30-х гг. XX века, является одним из наиболее эффективных методов испытания грунтов в естественном залегании. В нашей стране метод статического зондирования стал широко применяться с 60-х гг., когда начали осваивать участки со слабыми грунтами, ранее считавшиеся непригодными для строительства. В таких условиях стали применять свайные фундаменты. Для получения характеристик, необходимых для расчета несущей способности свай, было необходимо определение показателей свойств грунтов в естественном залегании. Испытание грунта методом статического зондирования проводят с помощью специальной установки, обеспечивающей вдавливание зонда в грунт. При статическом зондировании по данным измерения сопротивления грунта определяют удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда и удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда. Общее сопротивление зондированию включает сопротивление грунта конусу зонда и сопротивление грунта по муфте трения зонда.

11. Абразивность (от латинского слова abrasio — соскабливать) — способность материала оказывать истирающее действие на другой материал. Абразивность грунтов из горных пород в значительной степени определяет износ рабочих органов землеройных машин. Имеются различные методы оценки абразивности, однако все они пока еще являются относительными, так как износ зависит от удельных давлений, скорости взаимного перемещения и прочностных показателей. При одних и тех же прочностных показателях величина износа может быть различной. Коэффициент трения грунта о сталь зависит от состояния поверхности стали и физико-механических свойств грунта. 11. Абразивность (от латинского слова abrasio — соскабливать) — способность материала оказывать истирающее действие на другой материал. Абразивность грунтов из горных пород в значительной степени определяет износ рабочих органов землеройных машин. Имеются различные методы оценки абразивности, однако все они пока еще являются относительными, так как износ зависит от удельных давлений, скорости взаимного перемещения и прочностных показателей. При одних и тех же прочностных показателях величина износа может быть различной. Коэффициент трения грунта о сталь зависит от состояния поверхности стали и физико-механических свойств грунта. Наибольшей абразивностью обладают мерзлые пески, минимальной — глины. При бурении в абразивных грунтах возникает значительный износ режущих кромок бурильного инструмента и соответственно их затупление, что приводит к повышению сопротивления его внедрению и резанию. Процесс бурения скважины состоит из двух основных фаз: разрушения грунта на забое скважины и транспортирования его на поверхность. 

Под действием усилия подачи Pр бур внедряется в грунт, а под действием окружного усилия Рокр частицы грунта отделяются от забоя. При одновременном и непрерывном приложении к буру этих усилий грунт разрушается и отделяется от забоя в виде спиральных стружек. Забурник, врезаясь в грунт, образует в нем направляющее отверстие и обеспечивает первоначальное центрирование всего бура. Затем вступают в работу резцы, расположенные на траверсах бура, и срезают грунт каждый по своему следу пути вращения. Срезанные частицы грунта увлекаются во вращение силами трения о поверхность бура и попадают на нижние витки шнека (лопасти). Под действием центробежной силы частицы грунта, вращающиеся вместе с буром, стремятся прижаться к стенке скважины. За счет сил трения между частицами грунта в движение вовлекается вся выбуриваемая масса. Движущиеся по поверхности шнека частицы грунта при длине шнека, равной или большей глубины скважины, достигают ее устья, разбрасываются под действием центробежной силы на небольшое расстояние и образуют вокруг устья валик. При длине шнека, меньшей глубины скважины (или лопастном буре), частицы грунта скапливаются на шнеке (лопасти), затем при его заполнении бур извлекается на поверхность, ему сообщают ускоренное вращение и за счет центробежной силы грунт сбрасывается с бура. Под действием усилия подачи Pр бур внедряется в грунт, а под действием окружного усилия Рокр частицы грунта отделяются от забоя. При одновременном и непрерывном приложении к буру этих усилий грунт разрушается и отделяется от забоя в виде спиральных стружек. Забурник, врезаясь в грунт, образует в нем направляющее отверстие и обеспечивает первоначальное центрирование всего бура. Затем вступают в работу резцы, расположенные на траверсах бура, и срезают грунт каждый по своему следу пути вращения. Срезанные частицы грунта увлекаются во вращение силами трения о поверхность бура и попадают на нижние витки шнека (лопасти). Под действием центробежной силы частицы грунта, вращающиеся вместе с буром, стремятся прижаться к стенке скважины. За счет сил трения между частицами грунта в движение вовлекается вся выбуриваемая масса. Движущиеся по поверхности шнека частицы грунта при длине шнека, равной или большей глубины скважины, достигают ее устья, разбрасываются под действием центробежной силы на небольшое расстояние и образуют вокруг устья валик. При длине шнека, меньшей глубины скважины (или лопастном буре), частицы грунта скапливаются на шнеке (лопасти), затем при его заполнении бур извлекается на поверхность, ему сообщают ускоренное вращение и за счет центробежной силы грунт сбрасывается с бура.

13. Разрыхляемость определяется как отношение объема разрыхленного грунта Vp к объему V первоначальному (в плотном теле). 13. Разрыхляемость определяется как отношение объема разрыхленного грунта Vp к объему V первоначальному (в плотном теле). Первоначальное разрыхление — это разрыхление, наблюдаемое сразу после отделения грунта от массива; остаточное разрыхление наблюдается через некоторое время после укладки грунта в отвал или насыпь, где происходит его самоуплотнение без трамбования. Со временем этот разрыхленный грунт под воздействием нагрузки от вышележащих слоев, под влиянием атмосферных осадков или механическо­го воздействия постепенно уплотняется. Степень разрыхленности грунта после его осадки и уплотнения называют остаточным разрыхлением. Величины первоначального и остаточного разрыхления выражают в % по отношению к объему грунта в плотном состоянии.

Копание и резание грунтов. Копание и резание грунтов. Копание — совокупность процессов отделения грунта от массива, включающих резание грунта, перемещение его по рабочему органу и впереди последнего, а в отдельных случаях и перемещение внутри рабочего органа (в частности, в ковшах экскаваторов). Резание — процесс отделения грунта от массива при помощи режущей части рабочего органа, обычно имеющей вид клина.

Выводы по механическим и компрессионным свойствам грунтов 1. При изысканиях отбирают пробы грунта, строят график к.к. и определяют mo – это делают обычно инженеры-геологи, а строители оценивают свойства грунта по показателям, полученным от геологов. 2. Основной расчет оснований по II предельному состоянию – по деформациям. В формулу расчета осадки S = hmvP входит величина коэффициента относительного сжатия грунта

Таким образом, mо является той характеристикой, которая, как правило, решает выбор основания: можно строить или нельзя (тогда возникает необходимость перехода на искусственное основание). Таким образом, mо является той характеристикой, которая, как правило, решает выбор основания: можно строить или нельзя (тогда возникает необходимость перехода на искусственное основание).

Спасибо за внимание!