Лекция 1. Введение в курс
 Скачать 391.5 Kb.
|
|
"МЕХАНИКА ГРУНТОВ" ЛЕКЦИЯ №1. ВВЕДЕНИЕ В КУРС 1.1. Предмет курса и его значение для строителей Механика грунтов тесно связана с инженерной геологией, но призвана решать задачи, связанные с возведением инженерных сооружений на грунтовом основании, используя математические методы. 1.2. Основные понятия  Рис. 1.1. Схема взаимодействия сооружения с основанием. Грунтами принято называть любые горные породы, являющиеся объектами инженерной деятельности человека. Фундамент - часть сооружения, лежащая ниже поверхности земли и передающая нагрузку от него на грунтовое основание. Грунтовое основание - толща грунта, воспринимающая нагрузку от фундамента и деформирующаяся под ее действием. Естественное основание - состоит из грунта природного сложения. Искусственное основание - состоит из привозного, уплотненного или укрепленного грунта. 1.3. Естественное грунтовое основание Грунты разделяются на два основных вида: скальные и дисперсные. В скальных грунтах прочность связей между частицами сопоставима с прочностью самих частиц. В дисперсных грунтах прочность связей между частицами значительно меньше прочности частиц или вообще отсутствует. Выбирая площадку для проектируемого сооружения и изучая геологические разрезы, проектировщик стремится получить ответы на следующие вопросы: 1) какая будет величина осадок и когда они завершатся? 2) выдержит ли основание нагрузку от сооружения без разрушения? Первый вопрос касается определения конечной величины деформаций и времени их затухания. Все дисперсные грунты под давлением деформируются. Дефомируемость, осадки, крен сооружений обычно заканчиваются не сразу. Второй вопрос касается определения несущей способности грунтов. Разрушение грунтов чаще всего связано с потерей их устойчивости и проявляется в выпоре грунта из-под фундамента или сдвиге массива грунта вместе с сооружением. 1.4. Грунт – многокомпонентная среда. Физические характеристики грунтов Только глубинные скальные грунты магматического происхождения могут быть совершенно плотными, практически без внутренних пор. Все дисперсные грунты имеют поры и состоят из отдельных частиц минерального вещества, которое находится в раздробленном состоянии. В порах дисперсных грунтов могут присутствовать вода (жидкость), воздух (газ) и водяной пар. Минеральные частицы являются твердой компонентой грунта, вода - жидкой, воздух и пар - газообразной. Чаще всего грунт образует трехкомпонентную систему. Абсолютно сухой грунт представляет собой двухкомпонентную систему. Если поры грунта заняты целиком водой, то также получается двухкомпонентная система, называемая грунтовой массой. Представим себе грунт в виде кубика, каждая сторона которого равна единице. Объем кубика V, масса – m. Соберём все минеральные частицы на дне кубика, их масса  и объем  . Среднюю часть кубика займет вода. Масса воды -  , объем -  . Оставшийся объем кубика заполнит воздух, содержавшийся в порах грунта  ,  .  [г, т], Vгр [см3, м3]- масса и объем кубика грунта;, - масса и объем частиц;, , - масса и объем воды;, - масса и объем воздуха.Рис. 1.2. Схематическое изображение содержания компонентов в объеме Vгрунта. Плотность грунта есть отношение массы грунта к его объему:
плотность частиц грунта:
плотность скелета грунта:
Влажность грунта –  отношение массы воды к массе твёрдых частиц, выражаемое в долях единицы или в процентах:
В единичном кубике принято обозначать: Пористость - n равна отношению объема пор, к объему всего образца грунта:
Пористость всегда меньше 1. Так как объем кубика со сторонами, равными единице равен единице, то суммарный объем пор и частиц тоже равен единице
Коэффициент пористости -  равен отношению объема пор к объему твердых частиц грунта:
коэффициент пористости е может быть больше 1 в макропористых, органических грунтах. Если плотность умножить на ускорение свободного падения g, то соответственно получим: удельный вес грунта:
удельный вес частиц грунта:
удельный вес скелета грунта:
Параметры физических свойств грунта связаны между собой следующим образом:
Степень влажности  равна той доле объема пор, которая занята водой и вычисляется по формуле:
где:  ≈ 10 кН/м3 - удельный вес воды.К физическим характеристикам глинистых грунтов, кроме перечисленных, относятся так называемые параметры пластичности. Пластичностью называют способность глинистых грунтов менять свою форму под действием внешней нагрузки, без изменения объема. Пластичность зависит от влажности грунта. Существуют характерные влажности, при переходе через которые грунт резко меняет свои свойства, эти влажности и называются параметрами пластичности. Граница текучести -  влажность, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние. При этом поры почти целиком заняты водой, за исключением мельчайших пузырьков защемленного воздуха.Граница раскатывания -  влажность, при незначительном уменьшении которой, глинистый грунт переходит в твердое состояние.Число (индекс) пластичности -  разница между влажностью на границе текучести и на границе раскатывания:
 Рис. 1.3. Консистенция и изменение показателя текучести IL в зависимости от влажности W. Число пластичности не зависит от природной влажности. Чем больше число пластичности, тем больше он содержит глинистых частиц. При изменении влажности изменяется консистенция грунта. Сухой грунт имеет твердую консистенцию, увлажненный - пластичную, водонасыщенный - текучую. Показатель консистенции (индекс текучести) -  зависит от природной влажности грунта и его параметров пластичности:
У твердого грунта ≤ 0, у текучего > 1.1.5. Гранулометрический состав грунта Гранулометрический состав отражает содержание в минеральном скелете грунта твердых частиц различной крупности. Группы частиц, объединяющие зерна определенных размеров называются фракциями. Гранулометрический состав используется при классификации крупнообломочных и песчаных грунтов по ГОСТ 25100-95. Гранулометрический состав определяют в лаборатории путем просеивания сыпучих грунтов в сухом состоянии через сита. Таблица 1.1. Классификация фракций дисперсных грунтов по крупности
Гранулометрический состав может быть однородным, когда преобладает какая-либо одна или две фракции и неоднородным, когда в нем содержатся разные фракции в сопоставимом количестве. Степень неоднородности у крупнообломочных и песчаных грунтов определяется по формуле:
где: d60 - крупность фракции, меньше которой в грунте содержится 60% частиц по весу; d10 - крупность фракции, меньше которой в грунте содержится 10% частиц по весу. 1.6. Определение названий грунтов по ГОСТ. Определение табличного значения расчетного сопротивления Названия грунтов, используемые при проектировании оснований и фундаментов, отражают в первую очередь их физические свойства. В названиях, которые приведены в ГОСТ 25100-95 [ ] и СНиП 2.02.01-83* [ ] отсутствуют такие признаки, как цвет или внешний вид, но они и не нужны для расчета. Там отсутствуют также и геологические индексы, которыми обозначают горные породы. Поэтому названия грунтов по этим нормам могут отличаться от тех, которые дают грунтам геологи, на основании полевых определений и визуального осмотра образцов. Названия крупнообломочных и песчаных грунтов определяют по гранулометрическому составу, степени неоднородности, коэффициенту пористости и степени влажности. У крупнообломочных грунтов дополнительно учитывают коэффициент выветрелости, который определяют в лаборатории по испытаниям на истирание во вращающемся барабане, и состав заполнителя. Названия глинистых грунтов определяют по числу пластичности IPи показателю текучести IL. В конечном счете, наименование грунта может звучать так: - песок мелкий, неоднородный, средней плотности, маловлажный. - суглинок твердый. Нормы предусматривают полевые испытания песчаных грунтов статическим зондированием, то есть задавливанием конуса в грунт природного сложения. Зная параметры физических свойств грунта уже можно приближенно определить допустимые нагрузки на грунтовое основание. По таблицам СНиП 2.02.01-83* в зависимости от коэффициента пористости, параметров пластичности или гранулометрического состава и степени влажности определяется величина расчётного сопротивления грунта R0. Расчетное сопротивление R0 соответствует максимальному допустимому давлению, которое может выдержать грунт, деформируясь линейно. С            читается, что нагрузка передается через подошву фундамента шириной b=1,0 м, заложенным на глубину d=2,0 м. П      b=1м Рис. 1.4. Схема фундамента для определения R0. ервая лабораторная работа посвящается определению типа грунта и табличного значения расчётного сопротивления R0. 1.7. Взаимодействие минеральных частиц и воды в грунтах Гидростатическое взвешивание По закону Архимеда, тело, погруженное в жидкость, теряет в весе столько, сколько весит вода в объеме тела. Поэтому удельный вес минеральных частиц, погруженных в воду, уменьшается на величину удельного веса воды γw, то есть на 10 кН/м3:
Соответственно с учетом пористости уменьшается и удельный вес грунта:
если удельный вес грунта определен в естественном состоянии с заполнением всех пор водой (  ), то во взвешенном состоянии:
Подъем уровня грунтовых вод может привести к изменению физических свойств грунт К  апиллярные явления в грунтахЕ Рис. 1.5. Капиллярные явления в грунтах. сли поры не полностью заполнены водой, то между частицами возникают тонкие пленки влаги, на поверхности которых действуют силы поверхностного натяжения. В контактах частиц пленки искривлены и образуют так называемые мениски. Благодаря кривизне менисков создается сила, стягивающая частицы между собой. Эта сила тем больше, чем меньше радиус кривизны мениска:
где: α= 0,075 г/см - поверхностное на тяжение воды;(0,00075Н/м)? R1 и R2 - радиус минеральных частиц и радиус кривизны мениска, см.  Е Рис. 1.6. Схема капиллярного поднятия воды в грунтах. сли в образец влажного грунта подавать снизу воду, то силы поверхностного натяжения в менисках будут вызывать ее подъем вверх по капиллярным ходам между частицами. Высота капиллярного поднятия определяется формулой:
где:  - средний радиус пор, см; ≈10 кН/м3 – удельный вес воды.Силы капиллярного взаимодействия в пылеватом песке, супесях и суглинках, во много раз больше веса частицы. Эти силы и создают связность влажного песка. В крупном песке роль капиллярных сил невелика. В крупном песке высота капиллярного поднятия составляет h=2-3 см, в мелком h=20-30 см, пылеватом h=100-200 см, в суглинке h>600 см. Капиллярные явления имеют существенное значение именно в этих грунтах. В глинах, где частицы и поры очень малы, на первый план выступают электрические и молекулярные силы, действующие на поверхности минеральных частиц. Электрические и молекулярные взаимодействия влаги с поверхностью глинистых частиц. Удельная поверхность Удельнаяповерхность – суммарная площадь поверхности частиц на единицу массы [м2/г], зависит от размера частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше их удельная поверхность. Удельная поверхность глинистых частиц много больше удельной поверхности песчаных частиц. Поэтому взаимодействие влаги с поверхностью частиц наиболее выраженно проявляются в глинистых грунтах. Для глинистых грунтов характерно присутствие некоторых минералов, обладающих весьма интересными свойствами. Мы рассмотрим только два из них - каолинит и монтмориллонит. Их частицы хорошо видно только в электронном микроскопе при увеличении порядка 25000 - 30000 раз. Каолинит состоит из пластинчатых шестигранных кристаллов крупностью порядка 0,005 мм. Монтмориллонит состоит из тончайших иголок диаметром порядка 0,00005 мм. Удельная поверхность каолинита среди других глинистых минералов самая маленькая – 10 м2/г, у монтмориллонита – самая большая – 800 м2/г. В соответствии с этим, взаимодействие с влагой у каолинита умеренное, а у монтмориллонита весьма интенсивное. Кроме того, кристаллическая решетка монтмориллонита подвижная и допускает проникновение влаги внутрь кристалла, что вызывает сильное разбухание. У каолинита этого нет. Общим для обоих минералов является одно очень важное обстоятельство, строение кристаллических решеток всех глинистых минералов таково, что на их поверхности всегда присутствует большое число неуравновешенных электрических зарядов. В глинистых минералах это главным образом заряды отрицательные. В свою очередь, на молекулах воды имеются положительные и отрицательные заряды. Расстояние между ними равно 0,96 ангстрем или 1х10-8 см. Благодаря этому, молекула воды ориентируется в электрическом поле минеральных частиц, как магнитная стрелка в магнитном поле Земли. Она притягивается своим положительно заряженным концом к местам отрицательных зарядов на поверхности минеральных частиц с большой силой. Если в воде нет растворенных солей, то происходит прямое взаимодействие молекул воды с электрическими зарядами на поверхности. К  отрицательному концу первой молекулы притягивается следующая, к той, в свою очередь – третья, и образуется слой прочно связанной воды толщиной в несколько молекул, в котором господствует давление в несколько тысяч атмосфер, плотность воды увеличивается вдвое, и вода приобретает свойства твердого тела.П Рис. 1.7. Схема взаимодействия частиц с водой. о мере удаления от поверхности минеральной частицы электрическое взаимодействие ослабевает и за слоем прочносвязанной воды следует более толстый (сотни молекул) слой рыхло связанной воды, которая уже обладает свойствами жидкости, но все еще настолько сильно связана с минеральными частицами, что удалить ее можно только испарением. В формировании описанных водных пленок, кроме электрических сил принимают участие молекулярные силы Ван-дер-Ваальса, имеющие более сложную физическую природу. Поэтому сумма прочно- и рыхлосвязанной воды называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунта (ММВ). Эта величина имеет большое значение для строительных свойств грунта. По значению она близка к влажности на границе раскатывания WP. При влажности меньше максимальной молекулярной, грунт имеет твердую консистенцию, при равной ей он хорошо обрабатывается строительными машинами и хорошо уплотняется, при дальнейшем повышении влажности он становится липким и пластичным. По мере уменьшения содержания воды, прочность глинистого грунта растет. Когда последняя влага испарится из грунта, его прочность достигает максимума. Но тогда прочность обеспечивается силами прямого молекулярного притяжения. Так как глинистые частицы очень малы, то число таких контактов громадно. Если сухой глинистый грунт поместить в воду, то пленки влаги будутпроникать между частицами, вклинятся между ними в контактах, грунт сделается пластичным, и прочность его резко упадет. При дальнейшем увлажнении в результате капиллярного взаимодействия заполняются поры, и грунт постепенно перейдет в текучее состояние. Разница в строении кристаллов каолинита и монтмориллонита, о которой мы говорили раньше, приводит к тому, что среди всех глин каолинитовые наименее пластичны, наиболее проницаемы для воды, лучше других разрабатываются строительными машинами и поддаются уплотнению. Монтмориллонитовые глины наиболее пластичны, отличаются вязкостью, липкостью, сильным набуханием и исключительно низкой водопроницаемостью. Их используют в качестве смазки между грунтом и фундаментами глубокого заложения для облегчения их погружения. 1.8. Нормальное распределение влаги по глубине глинистого грунта Если в однородном глинистом грунте на местности, не покрытой сверху водой, вырыть глубокий колодец, то на некоторой глубине в нем установится открытое зеркало грунтовой воды. Ниже него все поры грунта заполнены влагой – грунт находится в водонасыщенном состоянии, а влага – в свободном. Выше идет так называемая: капиллярная кайма, в которой происходит подъем влаги по капиллярам. Чем мельче минеральные частицы, составляющие грунт, тем выше высота капиллярного подъема. Влажностъ, по мере удаления от зеркала грунтовой воды, уменьшается и на вершине каймы становится равной максимально молекулярной влагоемкости (ММВ). В лежащем выше молекулярно-влажном твердом слое, вода прочно и рыхло связана с минеральными частицами. На верхней границе слоя рыхло связанная влага исчезает и остается только прочно связанная. Прочно связанная влага соответствует гигроскопической влагоемкости. Грунт в этом состоянии тверд, хрупок и измельчается в пыль. Приятно идти по такой дороге жарким летом босиком, твердая поверхность покрыта легким, смягчающим неровности, слоем пыли. Но после длительных дождей ноги тонут в липкой грязи, и только строго научный взгляд на увязшие в грунте текучей консистенции сапоги, поможет преодолеть трудный путь. Ноги – наш фундамент. Изменение свойств грунтов вызывает проблемы у фундаментов сооружений в них погруженных.  Рис. 1.8. Естественное распределение влажности в толще глинистого грунта. 1.9. Фильтрационные свойства грунта Свойства грунтового основания в значительной степени зависят от движения грунтовых вод, которое подчиняется Закону ламинарной фильтрации Дарси. Закон Дарси – третья закономерность, учитывать которую необходимо, исследуя фильтрационные и суффозионные процессы в грунтах. Также на законе Дарси базируется теория фильтрационной консолидации – процесса уплотнения водонасыщенных грунтов во времени. В общем виде закон ламинарной фильтрации записывается так:
где - kf – коэффициент фильтрации; - I – градиент напора. Зная параметры деформируемости и прочности грунта, и определив напряжения в массиве грунта можно прогнозировать изменение состояния грунта и, следовательно, взаимодействие его с сооружением. Проверьте свои знания.
|
;
;
.
.
,
,
[кН/м3];
[кН/м3];
[кН/м3].
[кН/м3];
.
.
;
[кН/м3]. 
[кН/м3],
[кН/м3]
,
,