Лекции по Механике грунтов. Литература сниП 02. 0183. Основания зданий и сооружений сниП 02. 0385. Свайные фундаменты
 Скачать 7.74 Mb.
|
|
Основные закономерности механики грунтов Под действием передаваемых сооружением нагрузок, в массивных основаниях возникают нормальные и касательные напряжения, приводящие к деформации грунтов, кроме того грунты испытывают напряжение собственного веса. Наиболее часто имеют место деформации уплотнения грунтов под действием нормативных напряжений, реже деформаций сдвигов, вызываемые касательными напряжениями. Воздействие нормальных напряжений на сплошные тела, рассматривают в механике деформируемых тел. Грунты относятся к дисперсным телам, поэтому, кроме закономерности деформативности сплошных тел приходится учитывать изменения объема пор прижатием, то есть рассматривать дополнительно, закон уплотнения (компрессии). Кроме того в грунтах, как и в сплошных телах при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности. В грунтах необходимо знать сопротивление их сдвигу при предельном напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с, определяемые в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу. Деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных свойств грунтов. Кроме того фильтрация воды в грунтах, представляет интерес для строителей в отношении определения притоков воды в котловане и расчета водопониж установок. Все это обуславливает необходимость изучения закона фильтрации поровой воды. Для структурно неустойчивых грунтов, структура которая разрушается при увлажнении, динамических воздействиях, напряженных состояний или оттаиваний. Приходится рассматривать закономерности, определяющие характер их деформируемости. Закономерности разрушения структуры Из этих законов определяются механические свойства грунтов: - сжимаемость - сопротивление грунтов сдвигу - водонепроницаемость Физические основы сжимаемости Сжимаемость грунтов Служит для расчета деформации грунтового основания, расчет по II группе предельного состояния. Сжимаемость грунтов – способность уменьшать в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления. Сжимаемость зависит от уменьшения объема пор, под нагрузкой, сжимаемостью твердых частиц мы пренебрегаем. Основными характеристиками сжимаемости грунтов является: Е, а, ν и ξ. Е - модуль деформации а - коэффициент относительной сжимаемости ν - коэффициент поперечного бокового расширения (аналог к. Пуассона) ξ - коэффициент бокового давления Сжимаемость грунта определяется: - в компрессионных приборах - в стабилоиетре - в приборе трехосного сжатия с независимым регулированием величин главных напряжений - по таблице СНиП 2.02.01-83* Сжимаемость грунтового основания определяется: - штампом - прессиометрическим методом 1. Компрессионный метод – сжатие грунта без бокового расширения  2. Стабилометр  Штамповый метод – заключается в испытании модели фундаментов (штампов) в котлованах или на глубине. Система «штамп – основание» ближе к реальным условиям.   w – коэффициент, принимаемый для круглых жестких штампов =0,8, d – диаметр штампа, ∆p – приращение среднего давления по подошве штампа в пределах интересующих нас изменений давления на участке линейной зависимости между S и p, ∆S – приращение осадки штампа при изменении давления на ∆p. По этой формуле получается завышенный модуль деформации. Прессиометрический метод – сущность этого метода заключается в обжатии стенок буровой скважины на некотором участке её длины боковым равномерным давлением с замером деформации стенок скважины.   Прессиометр – резиновый цилиндрический баллон, заполненный жидкостью. По мере увеличения давления в баллоне оно передается на стенки скважины и уплотняет окружающий грунт, зная давление деформации по соответствующим формулам находят модуль деформации. Показатель деформативности – модель деформации Е в горизонтальном направлении, это является недостатком, так как чаще всего требуется в расчетах требуется Е 8. [E], [МПа] [кПа] [а], [МПа-1] [кПа-1] ν – безразмерная величина   Лекция 5 – 25.10.11 Закон уплотнения (компрессии) грунта: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.   а - коэффициент уплотнения и относительной сжимаемости р1 - давление от собственного веса грунта р2 - давление под подошвой фундамента е1 и е2 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям р1 и р2. Рис 5.1    tgα=a – коэффициент сжимаемости Рис 5.2 – график компрессионной зависимости  Чем больше угол α, тем больше tgα => тем больше а. е0 - начальный коэффициент пористости в природном состоянии, то есть без нагрузки. V – объем грунта в кольце m - не меняется при сжатии, поэтому без Δ.          С увеличением нагрузки сжимаемость и коэффициент сжимаемости грунта уменьшаются.   - уравнение, показывающее изменение коэффициента пористость лишь для спрямленного участка компрессионной кривой, поэтому является уравнение приближенным. Если изменения давления будут бесконечно малыми, то изменение коэффициента пористости будет строго точно пропорционально изменению давления, это возможно при малой нагрузке и на малом участке.   - для расчета осадки грунта толщиной h при действии равномерной нагрузки. Е - ?, ν - ? Сжимаемость грунта в условиях компрессии определяется при использовании характеристик Е и ν. Рис 5.3  S=∆h Условия по напряжениям:  По деформациям:  Относительная деформация в соответствии с законом Гука будет равна:      ξ - коэффициент бокового давления грунта при невозможности его бокового расширения. Изменяется от 0 до 1.       0,23≤ν≤0,27 – крупнообломочный грунт 0,27<ν≤0,30 – супеси, пески 0,30<ν≤0,35 – суглинки 0,35<ν≤0,42 – глины Вывод модуля деформации Е:    Если сжимаемость увеличивается модуль деформации уменьшается, свойства грунта ухудшаются, коэффициент сжимаемости увеличивается. Лекция 6 – 02.11.11 Сопротивление грунтов сдвигу Скальные грунты разрушаются от растяжения, сжатия, кручения, изгиба или их сочетания, то есть как обычные тела. Оценивается расчетным сопротивлением грунта основанием, а нескальные грунты только сдвигом одной части относительно другой. Нормальные и касательные напряжения на площадке сдвига определяются в приборе одноплоскостного сдвига или среза. Рис 6.1   Нагрузку на грунтовый образец передают ступенями. Чем больше величина горизонтальной нагрузки, тем медленнее идет затухание деформации и в какой то момент Tmax=(Qmax) – грунт разрушится и затухания не будет.  Испытанию подвергаются три образца
Полученные результаты характеризуются графиком сдвига. За сопротивление образца грунта сдвигу принимается достигнутое максимальное значение, сдвигающего напряжения τ в момент, когда оно перестает увеличиваться при непрекращающейся деформации сдвига. Рис 6.2  Прочностные характеристики: c – удельное сцепление φ - угол внутреннего трения Метод наименьших квадратов: Сумма квадратов отклонения от среднего в каждой точке должна быть минимальной. Аналитическое выражение линии: τ = σ*tgφ + с – для глинистого грунта τ = σ*tgφ – для песка Закон Шарля Кулона: Сопротивление грунтов сдвигу τ зависит от прочностных характеристик φ и с и пропорционально нормальному давлению (напряжению) σ на площадки сдвига. Для песка удельное сцепление с=0. Эти два уравнение – есть условие прочности грунта по Кулону, которые показывают при каких условиях происходят разрушения грунта. Физический смысл прочностных характеристик: Удельное сцепление с – это сопротивление грунта срезу (сдвигу) при отсутствии нормальных напряжений σ на площадке сдвига (среза). Рис 6.3  ∟φ угол внутреннего трения равен углу наибольшего отклонения полного давления q от нормали к площадке, на которой оно действует. При отклонении q на ∟φ=∟θmax наступает состояние предельного равновесия грунта. Испытание на срез в стабилометре 2-е методики испытаний Рис 6.4 
σ3 = const σ1 – увеличивают до разрушения грунта; σ3/σ1 – в момент разрушения Для песка: σ3/σ1 = tg2(45°-φ/2) Вычисляют tg, потом и φ. Результаты представляются графиком. Рис 6.5 
σ1 = σ3 (= σ2) σ1 = const σ3 – до разрушения грунта σ3/σ1 = tg2(45°-φ/2) и определяют φ Практическое применение φ и с: при расчетах несущей способности дамбы, при расчетах устойчивости грунтовых откосов, при определении давления грунта на ограждения (подпорные стенки), при определении расчетного сопротивления грунта основания (R), при расчете по первой группе предельных состояний. Водопроницаемость грунтов При уплотнении водонасыщеного грунта происходит уменьшение его пористости, и, следовательно, влажности. Во время уплотнения выдавливается вода, которая должна профильтроваться, то есть пройти некоторых путь в толще грунта. Движение воды в порах грунта происходит в соответствии с законом ламинарной фильтрации (законом Дарси). Который формулируется так: Скорость фильтрации υf прямо пропорционально гидравлическому градиенту i: υf = kf*i kf - коэффициент фильтрации равный скорости фильтрации при гидравлическом градиенте i=1. i - гидравлический градиент, равный потери напора Н2-Н1=ΔН. Напор выражается высотой столба воды: i= (Н2-Н1)/L Рис 6.6  kfпесок = 10-2 см/с kfглина = 10-8 см/с Это значит, что при одном и том же градиенте напора за одно и то же время вода пройдет в песке путь в 10км, а в глине в 1см. Рис 6.7  Для глинистого грунта на оси абсцисс появляется отрезок, равный величине начального градиента напора i0. tgα= kf При скорости фильтрации υf, грунт действует как водоупор. При i=1 υf = kf При i>i0 υf = kf (i-i0) Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных условиях потеем замера расхода воды и разности напоров по основным двум схемам.
Лекция 7 – 08.11.11 Модель водонасыщенного грунта. Для лучшего понимания процесса уплотнения грунта во времени рассматриваем картину фильтрации: модель водонасыщенного грунта. Рис 7.1  Механическая модель грунтовой массы. Рис 7.2  В первый момент времени после загружения при t=0, вода не успела выйти из отверстия, поршень не переместился по вертикали. Пружина не получила деформацию и усилие в ней, отнесённое к единице площади поршня Рz=0. В воде же возникает давление Рw-Р. В первый момент времени давление полностью передаётся на воду. По мере выдавливания воды из сосуда через отверстие в поршне, последний будет опускаться, что вызовет развитие все большей деформации пружины. В течение этого процесса значение Рw уменьшается, а значение Рz увеличивается. В результате будет сохранено равенство: Pw+Pz=P. После выдавливания определенного количества воды из под поршня давление р будет полностью передано на пружину, то есть при t=∞ Рw=0 и Pz=P. Эта механическая модель в известной степени иллюстрирует деформацию полностью насыщенного водой грунта, не обладающего структурной прочностью скелета. Давление в пружине моделирует давление в скелете, а давление в воде соответствует давлению в поровой воде. |