лекции. Решение задач механики грунтов

• Название: Решение задач механики грунтов
• Анкор: лекции
• Дата: 02.02.2020
• Размер: 5.38 Mb.
• Имя файла: mekhanika_gruntov.doc
• Тип: Решение; #106848
• страница: 2 из 8

введение

Механика грунтов изучает напряженно-деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд других вопросов. Целью механики грунтов является оценка состояния грунтов в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов, прогноз происходящих в них процессов.

Знание механики грунтов позволяет грамотно оценивать несущую способность грунтов основания, совершенствовать проектные и технологические решения в области фундаментостроения, что приводит к существенной экономии материальных и трудовых ресурсов, сокращению сроков строительства зданий и сооружений. Недооценка несущей способности грунтов оснований приводит к удорожанию строительства. С другой стороны, переоценка строительных свойств грунтов часто бывает причиной аварий сооружений.

Механика грунтов тесно связана с инженерной геологией, сопротивлением материалов, теориями упругости, пластичности и ползучести, строительной механикой, методами математического анализа.

Основной целью настоящих методических рекомендаций является обучение студента теоретическим основам и практическим навыкам решения основных задач механики грунтов. Очередность изложения разделов в методических рекомендациях совпадает с очередностью задач в контрольной работе. Каждая глава посвящена решению одной из задач контрольной работы и включает в себя теоретические предпосылки и практический пример решения.

Контрольная работа оформляется в виде расчетно-пояснительной записки, выполненной на листах формата А4. В состав записки включаются:

• 
  титульный лист с обязательным указанием учебного заведения, фамилии, имени и отчества исполнителя, его шифра, номера группы, а также номера задания на контрольную работу;
  
• 
  копия задания на контрольную работу;
  
• 
  расчеты, представленные отдельно по каждой задаче и включающие в себя исходные данные, подробные промежуточные вычисления, расчетные схемы со всеми необходимыми обозначениями и размерами, результаты и выводы по итогам решения задачи;
  
• 
  библиографический список.
  

Все расчетные данные и показатели должны сопровождаться «техническими» единицами измерения (кг, т, кг/м², т/м³ и т.д.), а расчеты – ссылками на нормативные документы и используемую литературу.

При решении задач контрольной работы растительный слой и насыпной грунт не учитывается.

1. Анализ инженерно-геологических условий строительной площадки

Анализ инженерно-геологических условий строительной площадки включает в себя следующие этапы:

• 
  определение физико-механических характеристик грунтов;
  
• 
  построение инженерно-геологического разреза строительной площадки;
  
• 
  подготовка заключения по строительной площадке.
  

В соответствии с п. 1.4[1], проектирование основания без соответствующего
инженерно-геологического обоснования или при его недостаточности не допускается.

Определение физико-механических характеристик грунтов производится отдельно для каждого слоя грунта по известным формулам механики грунтов [38]. Исходными данными служат данные геологических изысканий (литологическое описание и размеры слоев грунта в пределах скважины или шурфа, а также расчетные характеристики грунтов каждого слоя, определяемые лабораторными или полевыми испытаниями).

Результатом определения физико-механических характеристик грунтов служит характеристика каждого слоя грунта по [2] (см. прил. АЕ и И), а также заключение о возможности или невозможности использования данного слоя грунта в качестве естественного основания.

Не могут служить естественным основанием:

• 
  сильносжимаемые грунты;
  
• 
  песчаные грунты рыхлые;
  
• 
  пылевато-глинистые грунты просадочные или текучей консистенции.
  

В случае, если по грунту первого слоя данные не представлены, то для этого грунта физико-механические характеристики не определяют. В случае, если по грунту последнего четвертого слоя из всех данных представлено только значение предела прочности грунта на одноосное сжатие R_c, то такой грунт считается скальным (полускальным при значении R_c < 50 кг/см²) и для него следует определить наименование по прил. А.
Пример 1. Определить физико-механические характеристики грунтов и дать характеристику грунта каждого слоя. Исходные данные представлены в табл. 1.
Слой № 1:

Удельный вес сухого грунта (скелета грунта) определяем по формуле

т/м³.

Пористость грунта определяем по формуле

.

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов

Гранулометрический состав, %, мм											Заданные расчетные характеристики									Вычисляемые расчетные характеристики
№ слоя	крупнее 10	10-2	2-1	1-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	менее 0,005	γS, т/м3	γ, т/м3	ω	ωР	ωL	φ, град	с, кг/см2	Е, кг/см2	k, см/с	γd, т/м3	n	e	IР	IL	mv, см2/кг	Sr	eL	Iss
1				5	5	8	25	35	7	15	2,7	1,93	0,2	0,18	0,3	21	0,23	140	2·10-6	1,61	0,4	0,68	0,12	0,17	0,0044	0,79	0,81	0,08
2			12	14	12	8	16	18	12	8	2,7	2,03	0,2	0,15	0,21	26	0,12	120	2,7·10-6	1,69	0,37	0,6	0,06	0,83	0,0062	0,9	0,57	-0,019
3	1	1	10	12	32	15	10	10	8	1	2,65	2	0,25			35	0,01	250	3·10-2	1,6	0,4	0,66			0,0032	1
4					3	2	20	22	20	33	2,76	2	0,27	0,24	0,44	18	0,47	200	6·10-8	1,57	0,43	0,76	0,2	0,15	0,002	0,98	1,21	0,26

Коэффициент пористости грунта определяют по формуле

.

Число пластичности грунта определяют по формуле

.

По числу пластичности, как и по содержанию глинистых частиц, грунт является суглинком. Упрощенная классификация грунтов приведена в прил. Б.

Число текучести грунта определяют по формуле

.

По числу текучести суглинок имеет полутвердую консистенцию. Классификация пылевато-глинистых грунтов по консистенции приведена в прил. В.
Коэффициент относительной сжимаемости грунта определяли поформуле

см²/кг.

По коэффициенту относительной сжимаемости грунт следует отнести к малосжимаемому. Классификация грунтов по коэффициенту относительной сжимаемости приведена в прил. Г. Коэффициент β принимают для пылеватых и мелких песков – 0,8; супесей – 0,74; суглинков – 0,62; глин – 0,4.

Степень влажности грунта определяют по формуле

.

Коэффициент пористости грунта на границе текучести определяют по формуле

.

Коэффициент просадочности грунта определяют по формуле

.

Рассчитанный коэффициент просадочности меньше табличного значения равного 0,17 (прил. Д), следовательно, грунт обладает просадочными свойствами.

Таким образом, грунт первого слоя представляет собой суглинок полутвердый, просадочный, малосжимаемый, и который естественным основанием служить не может.
Слой № 2:

γ_d = 1,69 т/м³; n = 0,37; e = 0,6; I_p = 0,06. По числу пластичности, как и по содержанию глинистых частиц, грунт является супесью.

I_L = 0,83. По числу текучести супесь имеет пластичную консистенцию.

m_v = 0,0062 см²/кг. По коэффициенту относительной сжимаемости грунт следует отнести к малосжимаемому.

S_r = 0,9 ; e_L = 0,57. Степень влажности у рассматриваемого грунта более 0,8, поэтому следует считать, что данный грунт просадочными свойствами не обладает.

Таким образом, грунт второго слоя представляет собой супесь пластичную, малосжимаемую, непросадочную, и которая может служить естественным основанием.
Слой № 3:

γ_d = 1,6 т/м³; n = 0,4.

Для данного грунта значения ω_L и ω_Р не приведены (равны 0), следовательно, I_Р также будет равно 0. По числу пластичности, как и по содержанию глинистых частиц, грунт относится к песчаным. Упрощенная классификация грунтов приведена в прил. Б.

В данном грунте содержится 56 % по массе частиц с диаметром более 0,25 мм, следовательно, по гранулометрическому составу грунт относится к пескам средней крупности. Классификация песчаных грунтов по гранулометрическому составу приведена в прил. Е.

e = 0,66. По коэффициенту пористости песок средней крупности следует отнести к средней плотности. Классификация песчаных грунтов по плотности сложения приведена в прил. И.

m_v = 0,0032 см²/кг. По коэффициенту относительной сжимаемости грунт следует отнести к малосжимаемому.

S_r = 1. По степени влажности грунт следует отнести к насыщенному водой. По водонасыщенности (степени влажности) S_r песчаные грунты разделяют на маловлажные при 0 < S_r ≤ 0,5, влажные при 0,5 < S_r ≤ 0,8, насыщенные водой при 0,8 < S_r ≤ 1.

Коэффициент неоднородности песка определяли по соотношению

,

где d₆₀ – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 60 % (по массе) , d₁₀ – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 10 % (по массе).

При C_И ≤ 3 – песок однородный, при C_И > 3 – песок неоднородный.

Значения d₆₀ и d₁₀ определяли графически, путем построения полулогарифмического графика гранулометрического состава (в масштабе). В соответствии с рассчитанными в табл. 2 данными, по оси абсцисс откладывали натуральные логарифмы диаметров частиц, по оси ординат – процентное содержание частиц, меньше размера фракций.
Таблица 2

Результаты расчета

Наименование определений	Размер фракций, мм
	крупнее 10	10-2	2-1	1-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	менее 0,005
Процент от общего количества	1	1	10	12	32	15	10	10	8	1
Сумма процентов менее данного диаметра	100	99	98	88	76	44	29	19	9	1
Натуральный логарифм данного диаметра	-	2,3	0,63	0	-0,7	-1,4	-2,3	-3,0	-4,6	-5,3

После построения графика из точек на оси ординат, соответствующих
10 % и 60 %, опускаем на график перпендикуляры, а затем из полученных точек пересечения опускаем вторые перпендикуляры на ось абсцисс, получая значения натуральных логарифмов lnd₁₀ = -4,38 и lnd₆₀ = -1,09 соответственно (рис. 1). Возводя экспоненту в степень по полученным значениям, определяют d₆₀ и d_10.

.

.

.

По коэффициенту неоднородности песок следует отнести к неоднородному.

Рис. 1. Полулогарифмический график гранулометрического состава

Таким образом, грунт третьего слоя представляет собой песок средней крупности, средней плотности, насыщенный водой, неоднородный, который может служить естественным основанием.
Слой № 4:

γ_d = 1,57 т/м³; n = 0,43; e = 0,76; I_p = 0,2. По числу пластичности, как и по содержанию глинистых частиц, грунт является глиной.

I_L = 0,15. По числу текучести глина имеет полутвердую консистенцию.

m_v = 0,002 см²/кг. По коэффициенту относительной сжимаемости грунт следует отнести к малосжимаемому.

S_r = 0,98; e_L = 1,21; I_ss = 0,26. Рассчитанный коэффициент просадочности больше табличного значения, равного 0,24, следовательно, грунт просадочными свойствами не обладает.

Таким образом, грунт четвертого слоя представляет собой глину полутвердую, малосжимаемую, непросадочную и может служить естественным основанием.
Инженерно-геологические разрезы площадки строят в целях определения напластования, показателей состава и положения уровней подземных вод.

При этом руководствуются данными инженерно-геологических изысканий (технические отчеты, планы тахеометрических съемок, литологические описания грунтов, геологические колонки и др.).

Разрез строят развернутым по вертикальной плоскости, расстояния между буровыми скважинами берутся из плана стройплощадки, а мощность пластов – с геологических колонок, приведенных в задании. На разрезе обозначается уровень подземных вод и отмечаются места забора образцов, границы смены слоев грунта соединяют между буровыми скважинами прямыми линиями, над которыми отмечают уклоны слоев грунта.

Построение разреза строительной площадки рекомендуется проводить на миллиметровой бумаге в масштабе 1:100–1:500. Условные обозначения принимаются в соответствии с ГОСТ 21.302-96.
Пример 2. Построить геологический разрез между буровыми скважинами № 1 и 2, расположенными на расстоянии 20 м друг от друга. Исходные данные приведены в табл. 3.
Таблица 3

Описание буровых скважин

№ скважины и абсолютная отметка устья	№ слоя	Геологический возраст	Описание горных пород	Глубина залегания подошвы слоя, м	Глубина залегания уровня воды, м
1 102,6	1	аQ3	Суглинок желто-бурый легкий	1,2	4,0
	2	аQ3	Супесь серая легкая	6,2
	3	аQ3	Песок средней крупности серый	13,9
	4	аQ3	Глина коричневая пылеватая	15,0
2 100,9	1	аQ3	Суглинок желто-бурый легкий	1,5	2,3
	2	аQ3	Супесь серая легкая	8,0
	3	аQ3	Песок средней крупности серый	14,3
	4	аQ3	Глина коричневая пылеватая	15,0

Из описания видно, что скважиной вскрыты (сверху вниз) верхнечетвертичные отложения, представленные четырьмя слоями: суглинком желто-бурым легким, супесью серой легкой, песком средней крупности серым и глиной коричневой пылеватой.

Пример построения геологического разреза представлен на рис. 2. В нижней части листа оставляют три строки для характеристики скважин и указания расстояний между ними. Намечают начало и откладываем вправо длину разреза в принятом масштабе. Слева строят шкалу абсолютных отметок (геодезическую рейку) с таким расчетом, чтобы максимальная отметка была несколько выше верхней точки рельефа, а минимальная  ниже забоя самой глубокой скважины. К шкале «привязывают» скважины.



Рис. 2. Пример построения геологического разреза
Вдоль линии скважины размечают границы слоев и проставляют их абсолютные отметки, которые вычисляют как разность абсолютной отметки устья скважины и глубин залегания соответствующих слоев. Например, в скважине 2 абсолютная отметка границы между вторым и третьим слоями равна: 100,9  8,0 = 92,9 м.

В интервале каждого слоя условными обозначениями отмечают состав и относительный возраст пород.

После этого справа от линии скважины обозначают абсолютные отметки уровней подземных вод и проводят уровень подземных вод пунктирной линией. Построение разреза заканчивают обозначением уклонов слоев грунта.
Заключение по строительной площадке должно включать указание места расположения площадки, характеристику рельефа и сложности инженерно-геологических условий, описание грунтов по слоям с заключением о возможности использования слоев в качестве естественного основания.

Определение сложности инженерно-геологических условий площадки строительства проводится в соответствии с прил. И.
Пример 3. Подготовить заключение по строительной площадке на основании исходных данных, изложенных в примерах 1 и 2.
Строительная площадка расположена в г. Екатеринбурге, относится ко второй категории сложности. Характер рельефа спокойный, с уклоном
i = 0,085 и абсолютными отметками 100,9 – 102,6. На площадке пробурено две скважины. При бурении были вскрыты следующие грунты:

1. 
   Суглинок желто-бурый легкий, мощностью от 1,2 до 1,5 м, полутвердый, просадочный, малосжимаемый, естественным основанием служить не может.
   
2. 
   Супесь легкая серая, мощностью от 5,0 до 6,5 м, пластичная, малосжимаемая, непросадочная, может служить естественным основанием. Уровень подземных вод обнаружен на глубине от 2,3 до 4,0 м от дневной поверхности, воды не агрессивны по отношению к бетону и раствору.
   
3. 
   Песок средней крупности серый, мощностью от 6,3 до 7,7 м, средней плотности, насыщенный водой, неоднородный, может служить естественным основанием.
   
4. 
   Глина коричневая пылеватая, слой до конца не пройден, полутвердая, малосжимаемая, непросадочная, может служить естественным основанием. Является водоупором.
   

Залегание пластов выдержанное (согласованное), с уклоном от 0,1 до 0,175, выклинивание пластов не наблюдается.