(ПГС02 2016) Основы расчета строительных конструкций. Основные понятия курса. Цели и задачи курса. Состав, строение, состояние и физические свойства грунтов
 Скачать 1.65 Mb.
|
Раздел 1. Основные понятия курса. Цели и задачи курса. Состав, строение, состояние и физические свойства грунтов.1.1. 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. 1.2. 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. 1.3. 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. 1.4. 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. 1.5. Физические свойства грунтов. Представим себе некоторый объем  трехкомпонентного грунта массой  , разделенный на отдельные компоненты, где  ,  ,  ,  ,  ,  — соответственно объем и масса твердой, жидкой и газообразной компонент грунта (рис. 1.1). Тогда  ;  , так как масса газообразной составляющей ничтожно мала и не оказывает влияния на результаты определений. Рис. 1.1. Схематическое изображение содержания компонент в объеме грунта Плотность грунта (г/см3, т/м3) - отношение массы грунта к его объему:
Удельный вес грунта (кН/м3):
Влажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц, выражаемое в долях единицы, иногда в процентах:
Плотность частиц грунта (г/см3, т/м3) определяется как отношение массы твердых частиц грунта к их объему:
Плотность сухого грунта (плотностью скелета грунта) - отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта:
Пористость грунта - отношение объема пор ко всему объему грунта, что соответствует объему пор в единице объема грунта:
Относительное содержание твердых частиц в единице объема грунта:
Коэффициент пористости грунта - отношение объема пор к объему твердых частиц:
Степень влажности (степень водонасыщения) - отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости:
По консистенции различают три состояния глинистого грунта: твердое, пластичное и текучее. Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности, называемыеграницей раскатывания (нижний предел пластичности)  и границей текучести (верхний предел пластичности)  .Число пластичности грунта - разница между границей текучести и границей раскатывания:
Показатель текучести глинистого грунта:
1.6. Строительная классификация грунтов. Тип крупнообломочных и песчаных грунтов устанавливается по гранулометрическому составу, разновидность – по степени влажности. Песчаные грунты дополнительно имеют разновидность по плотности сложения и неоднородности. Классификационными показателями являются соответственно коэффициент пористости  и показатель неоднородности  .Тип глинистого грунта зависит от числа пластичности  , разновидность – от показателя текучести  .1.7. Связь физических и механических характеристик грунтов. Обобщение огромного количества исследований образцов грунта позволило составить таблицы СНиП, по которым, используя классификационные физические параметры грунтов можно определить нормативные значения их прочностных и деформационных характеристик. 1.8. Понятие об условном расчетном сопротивлении. Важнейшей характеристикой несущей способности грунтов является расчетное сопротивление, которое зависит от физико-механических свойств основания и геометрических параметров фундамента. Однако для предварительных расчетов допускается использовать условное расчетное сопротивление грунтов – ориентировочное допускаемое давление на грунт под подошвой фундамента, имеющего ширину 1м и глубину заложения 2м. Условное расчетное сопротивление зависит от классификационных показателей грунта и определяется по таблицам СНиП. Раздел 2. Механические свойства грунтов. Введение. Под механическими свойствами грунтов понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых) и физических (изменение влажности, температуры и т. п.) воздействий. Характеристики механических свойств грунтов используются для расчетов деформаций, оценки прочности и устойчивости грунтовых массивов и оснований. Механические свойства грунтов зависят от их состава (минерального и гранулометрического), физического состояния (плотности, влажности, температуры) и структурных особенностей. 2.1. Деформируемость грунтов. Под действием нагрузок, передаваемых сооружением, грунты основания могут испытывать большие деформации. Рассмотрим зависимость осадки штампа  от возрастающего давления  (рис. 2.1.а, б). Рис.2.1. Схема опыта (а) и графики зависимости осадки штампа от давления по подошве при нагружении (б) и при нагружении-разгрузке (в) На рисунке (рис. 2.1. б) видно, что грунтам свойственна нелинейная деформируемость, причем в некотором начальном интервале изменения напряжений от 0 до Р1 она достаточна близка к линейной. При нагружении и последующей разгрузки штампа общая осадка грунта может быть разделена на восстанавливающуюся (упругую)  и остаточную (пластическую)  (рис.2.1.в).Пластические деформации в грунтах можно разделить на объемные и сдвиговые. Объемные деформации приводят к изменению объема пор в грунте, т.е. к его уплотнению, сдвиговые – к изменению его первоначальной формы и могут вызвать разрушение грунта. 2.1.1. 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.)  Под действием возрастающей нагрузки  происходит вертикальное перемещение штампа, вызывающее осадку образца. Деформации уплотнения образца грунта происходят вследствие уменьшения объема пор за счет более компактного размещения частиц, возникновения взаимных микросдвигов частиц, уменьшения толщины водно-коллоидных плёнок и сопровождаются отжатием воды из пор грунта.По результатам испытаний строится компрессионная кривая - зависимость коэффициента пористости грунта от сжимающего напряжения (рис. 2.3.). Форма компрессионной кривой определяется наличием или отсутствием структурной прочности, обусловленной связями между частицами грунта и придающие скелету грунта способность выдерживать некоторую нагрузку до начала разрушения его каркаса. 2.1.2. Деформационные характеристики грунтов. При небольшом изменении сжимающих напряжений (порядка 0,1…0,3 МПа) уменьшение коэффициента пористости грунта пропорционально увеличению сжимающего напряжения. Коэффициент сжимаемости  , кПа-1:
Относительный коэффициент сжимаемости  , кПа-1:
Модуль деформации грунта  , кПа:
где  зависит от коэффициента бокового давления грунта  :
 , где  – коэффициент Пуассона. (2.5.)2.1.3. Принцип линейной деформируемости. При небольших изменениях давлений (0,3-0,5 МПа) можно рассматривать грунты как линейно деформируемые тела, т. е. с достаточной для практических целей точностью можно принимать зависимость между общими деформациями и напряжениями для грунтов линейной. 2.2. Водопроницаемость грунтов. Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. Рассмотрим схему фильтрации воды в элементе грунта. 
Напор в любой точке движущегося потока воды  определяется выражением:
где  - пьезометрическая высота (з – давление в воде;  – удельный вес воды);  – высота рассматриваемой точки над некоторой горизонтальной плоскостью сравнения;  /(  ) – скоростной напор (  – скорость движения воды в потоке;  – ускорение свободного падения).Скорость фильтрации, учитывая сложную неоднородную структуру порового пространства грунтов и наличие пленок связанной воды у частиц глинистых грунтов, не может быть определена через расход воды и площадь сечения элементарной трубки грунта. 2.2.1. Закон ламинарной фильтрации. Экспериментально ученым Дарси было установлено, что скорость фильтрации прямо пропорционально разности напоров (  ) и обратно пропорциональна длине пути фильтрации  :
где  – гидравлический градиент (градиент напора);  – коэффициент фильтрации (основная фильтрационная характеристика грунта).Закон ламинарной фильтрации Дарси: скорость движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту. 2.2.2. 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 после определенного значения  , называемого начальным градиентом напора (рис. 2.5.).Закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде:
где  - коэффициент фильтрации глинистого грунта, определяемый в интервале зависимости между точками а и б;2.3. Прочность грунтов. Под прочностью грунтов понимается их свойство в определенных условиях сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций. 2.3.1. Трение и сцепление в грунтах. Ш. Кулоном экспериментально было установлено, что разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его частицы по 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. 2.3.2. 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) образца грунта производится по фиксированной плоскости среза.  Рис.2.6. Схема сдвигового прибора Экспериментально установлено, что зависимость между предельными сдвигающими напряжениями и нормальными напряжениями в интервале от 0,3 до 0,5 МПа можно с достаточной точностью принять линейной (рис. 2.7. а, б, в).
Рис.2.7. Кривые горизонтальных перемещений образцов при разных значениях σ (а), графики сопротивлениями сдвигу образцов песчаного (б) и глинистого грунта (в) Тогда эта зависимость может быть выражена уравнениями:
где  - угол внутреннего трения и  - удельное сцепление являются параметрами прочности грунтов.Уравнения (2.9) и (2.10) называют законом Кулона для сыпучих и связных грунтов: сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления. 2.3.3. 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 увеличении напряжения  и постоянной величине напряжения  произойдет сдвиг по некоторой площадке, наклоненной к горизонтальной плоскости, причем промежуточное главное напряжение  будет действовать параллельно этой площадке, никак не влияя на сопротивление грунта сдвигу. Рис. 2.8. Положение площадки скольжения (а); ориентация площадок скольжения относительно направления действия главных напряжений (б): 1, 2 – площадки скольжения В предельном состоянии в каждой точке грунта имеются две сопряженные площадки скольжения, наклоненные под углом  к линии действия максимального и  - минимального главного напряжения (рис. 2.8, б).Соотношение между главными напряжениями и в предельном состоянии, характеризуемым параметрами прочности и , описываются уравнениями:
Выражения (2.11) и (2.12) часто называют условием предельного равновесия грунтов.  2.3.4. 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  , вызывающее уплотнение грунта, всегда меньше полного напряжения и закон Кулона будет иметь следующий вид:
где  - избыточное (поровое) давление.
2.4. 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. Испытания пробной статической нагрузкой для определения модуля деформации грунтов проводятся в шурфах инвентарными жесткими штампами. Модуль деформации определяется по формуле:
где  - коэффициент, зависящий от формы жесткого штампа;   - ширина или диаметр штампа; - коэффициент Пуассона;  - давление и осадка штампа в пределах линейной зависимости кривой на рис. 2.1.б.Статическое зондирование заключается в медленном задавливании в грунт стандартного зонда. Механические и прочностные характеристики определяются по величине удельного сопротивления погружению зонда  .Динамическое зондирование производится путем забивки в грунт зонда из колонки штанг с коническим наконечником. Основой для определения механических параметров грунта является показатель зондирования  - число ударов, необходимых для погружения зонда на 10 см. |
или 
, тогда 
или 
или 
;
,
;
.
