Механика грунтов

40. Расчет оснований по предельным состояниям

В основе современного подхода к проектированию всех строительных конструкций лежит принцип расчетов по предельным состояниям. Согласно этому принципу, действующие на конструкцию усилия или возникающие в ней напряжения, перемещения и деформации не должны превышать соответ-ствующих предельных величин. Этим достигается возможность нахождения оптимального, наиболее экономичного решения и обеспечение безаварийной работы конструкции. Надежность расчетов конструкций по предельным состояниям достигается введением специальных расчетных коэффициентов, отражающих точность определения характеристик, свойств материалов, конструкций и их возможные изменения, изменчивость действующих нагрузок. Расчеты по предельным состояниям подразделяются на две группы. Первая группа -- расчеты по несущей способности, призванные не допустить потери устойчивости формы или положе-ния конструкции; хрупкое, вязкое или иного характера ее разруше-ние; возникновение резонансных колебаний при динамических воздействиях. Вторая группа -- расчеты по деформациям, обеспечивающие установление таких величин перемещений или деформаций конструкций (осадок, прогибов, углов поворота), амплитуд их колебаний, при которых еще не возникнут затруднения в нормальной эксплуатации сооружений и не произойдет снижение их долговечности. Отсюда целью расчетов оснований по предельным состояниям является выбор такого технического решения фундаментов, которое обеспечит невозможность достижения сооружением предельного состояния. Невыполнение условий расчетов по первой группе, т. е. потеря основанием несущей способности, приведет сооружение в предельное состояние вплоть до разрушения и сделает его полностью непригодным к эксплуатации. Невыполнение условий расчетов по второй группе в зависимости от превышения величин возникших перемещений фундаментов и деформаций может сделать его полностью непригодным к эксплуатации. При сложных инженерно-геологических условиях в основании сооружения может оказаться, что относительная неравномерность осадок соседних фундаментов превысит ее предельную величину при еще меньших давлениях под подошвой этих фундаментов. В этом случае нормальная эксплуатация сооружения будет определяться более жесткими условиями расчетов по второй группе предельных состояний. При этом условия расчетов по первой группе окажутся автоматически выполненными.С другой стороны, представим себе то же сооружение, расположенное на откосе или вблизи его бровки. Пусть фундаменты сооружения запроектированы исходя из условий расчетов по второй группе предельных состояний и в этом смысле полностью обеспечена его нормальная эксплуатация. Однако если дополнительная нагрузка на основание от построенного сооружения приведет к потере устойчивости откоса, то и само сооружение окажется непригодным к эксплуатации. Здесь уже будет недостаточным расчет основа-ния сооружения по второй группе предельных состояний и потребуется оценка устойчивости откоса вместе с сооружением с помощью расчетов по первой группе предельных состояний. Учитывая разнообразные особенности взаимодействия сооружений и оснований СНиП предусматривает необходи-мость расчетов оснований по деформациям во всех случаях и по несущей способности в тех случаях, если: а) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стенки); б)сооружение расположено на откосе или вблизи откоса; в) основание сложено скальными грунтами.

42. Расчет осадок методом послойного суммирования

В настоящее время расчет осадок фундаментов имеет огромное практическое значение, т.к без знания расчетной осадки невозможно проектировать фундаменты согласно нормативным требованиям по предельным деформациям оснований.

Осадками фундаментов сооружений наз. их вертикальные смещения, вызванные деформацией их оснований под действием нагрузки от фундаментов. Давление в грунте от местной нагрузки рассеивается в пределах основания и с глубиной интенсивность его уменьшается. Если известно вертикальное давление, действующее на поверхность какого-либо слоя грунта, осадку ее можно определить по формуле S=hm_Vp. Вследствие постепенного изменения давления по глубине ос-нования толщу его можно разбить на ряд слоев, в каждом из которых давление можно усреднить без большой погрешности. Эти соображения приняты в качестве исходных положений в методе послойного суммирования. При расчете осадки фундамента методом послойного суммирования сначала находят дополнительное среднее давление р_Д, распределенное по подошве фундамента: р_Д=p_II-p_б=p_II-?h_Ф, где p_II -- среднее давление по подошве фундамента от нагрузок; p_б -- природное давление на уровне подошвы фундамента; ? -- удельный вес грунта .

Зная р_д, определяют давление р_z=?p на разной глубине под центром площади загружения и строят эпюру р_z. Величина р_z с глубиной убывает, поэтому при расчете целесообразно ограничиться толщей, ниже которой деформации грунтов пренебрежи-мо малы. Нормы рекомендуют для обычных грунтов принимать сжимаемую толщу Н до глубины, на которой давление р_z от действия дополнительного давления р_Л не превышает 20% природного дав-ления.

Найдя значения р_г в пределах сжимаемой толщи (активной зоны), разбивают ее на слои применительно к напластованию грунтов. При большой толщине отдельных пластов их делят на слои толщиной не бо-лее 0,4 b, где b -- ширина подошвы фундамента. Зная среднее давление p_Zi в каждом слое сжимаемой толщи, находят осадку фундамента S в виде суммы осадок поверхностей отдельных слоев : S=сумма h_im_Vip_zi, где h_i -- толщина i-ro слоя грунта; m_Vi-- коэффициент относительной сжимаемости грунта i-ro слоя; p_zi--сред-нее давление в i-том слое. В основу метода послойного суммирования положены следующие допущения: а) грунт в основании представляет собой сплошное, изотропное, ли-нейно-деформируемое тело; б) осадка обусловлена действием только давления р_г, остальные пять компонентов напряжений не учитываются; в) боковое расширение грунта в основании невозможно; г) давление p_z определяется под центром подошвы фундамента; е) фундаменты не обладают жесткостью.

45.Особенности осадок свайного фундамента

Сложность определения осадок свайных фундаментов связана с тем, что они передают нагрузку на грунт основания одновременно через боковую поверхность и нижние концы свай, при этом соотношение передаваемых нагрузок зависит от многих факторов: числа свай в фундаменте, их длины, расстояния между сваями, свойств грунта и степени его уплотнения при погружении свай. связи с этим при разработке методов расчета осадок свайных фундаментов принимаются упрощающие допущения, снижающие их точность. С другой стороны, чем точнее расчетная схема отражает фактическую работу свайного фундамента, тем сложнее методика расчета. В настоящее время в большинстве случаев свайный фундамент при расчете его осадок рассматривается как условный массивный фундамент на естественном основании. Это означает, что сваи, грунт межсвайного пространства, а также некоторый объем грунта, примыкающего к наружным сторонам свайного фундамента, рас-сматриваются как единый массив, ограниченный снизу плоскостью, проходящей через нижние концы свай, а с боков -- вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии с, равномгде h -- глубина погружения сваи в грунт, считая от подошвы ростверка, м; ?_II осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта:

Ф_II,i -- расчетные значения углов внутреннего трения для отдель-ных пройденных сваями слоев грунта толщиной А.Размеры подошвы условного фундамента при определении его границ по этим правилам находим по формуламгде аь и а_l -- расстояния между осями свай соответственно по поперечным и продольным осям, м; тъ и m_l -- количество рядов свай по ширине и длине фундамента; d -- диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, м.При наличии в фундаменте наклонных свай плоскости проходят через их концы. Размеры подошвы условно-го фундамента в этом случае определяются расстояниями между нижними концами наклонных свай. Если в пределах глубины погружения свай залегают слои торфа или ила толщиной более 30 см, то, поскольку трение в них принима-ется равным нулю, осадку свайного фундамента из висячих свай определяют с учетом уменьшенных габаритов условного фундамен-та, который принимается ограниченным с боков вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов свай на расстоянии с', определяемом какгде h_mt -- расстояние от нижнего конца сваи до подошвы слоя торфа или ила , м.Во всех рассмотренных случаях при определении осадок расчетная нагрузка, передаваемая условным фундаментом на грунт основания, принимается равномерно распределенной.

Расчет осадки свайного фундамента, как условного массивного, выполняется теми же методами, что и расчет фундамента мелкого заложения.

Осадка свайного фундамента s определяется, как правило, мето-дом элементарного суммирования. Последовательность расчета та же, что и в случае фундамента мелкого заложения. Полная осадка фундамента, не должна превышать ее предельного значения.

47. Метод круглоцилиндрической поверхности

Этот метод был впервые применен К. Петерсоном в 1916 г. для расчета устойчивости откосов и долгое время назывался «методом шведского геотехнического общества». В дальнейшем он получил развитие в работах многих ученых, и к настоящему времени имеется несколько его модификаций, одна из которых рассматривается ниже. Предположим, что потеря устойчивости откоса или склона, может произойти в результате вращения отсека грунтового массива относительно некоторого цен-тра. Поверхность скольжения в этом случае будет представлена дугой окружности с радиусом r и центром в точке. Смещающийся массив рассматривается как недеформируемый отсек, все точки которого участвуют в общем движении. Коэффициент устойчивости принимается в виде где М_st и М_за -- моменты относительно центра вращения всех сил, соответственно удерживающих и смещающих отсек. Для определения входящих в формулу моментов отсек грунтового массива разбивается вертикальными линиями на отдельные элементы. Характер разбивки назначается с учетом неоднородности грунта отсека и профиля склона так, чтобы в пределах отрезка дуги скольжения основания каждого z-го элемента прочностные характери-стики грунта были постоянными. Вычисляются силы, действующие на каждый элемент: вес грунта в объеме элемента P_g.и равнодейству-ющая нагрузки на его поверхности P_q. При необходимости могут быть также учтены и другие воздействия (фильтрационные, сейсмические силы и т. д.). Равнодействующие сил P_g.+P_q. считаются приложенными к основанию элемента и раскладываются на нормальную N и касатель-ную T, составляющие к дуге скольжения в точке их приложения. ТогдаСоответственно момент сил, вращающих отсек вокруг точки, определится какгде n -- число элементов в отсеке. Принимается, что удерживающие силы в пределах основания каждого элемента обусловливаются сопротивлением сдвигу за счет внутреннего трения и сцепления грунта. Тогда можно записатьгде l_i -- длина дуги основания i-го элемента. Окончательно получим

При k_st?k^b_st устойчивость отсека массива грунта относительно выбранного центра вращения считается обеспеченной. Основная сложность при практических расчетах заключается в том, что положение центра вращения и выбор радиуса, соответствующие наиболее опасному случаю, неизвестны. Поэтому обычно проводится серия таких расчетов при различных положениях центров вращения и значениях г. Чаще всего наиболее опасная поверхность скольжения проходит через нижнюю точку откоса или склона. Однако если в основании залегают слабые грунты с относительно низкими значениями прочностных характеристик, то это условие может не выполняться.

50. Расчеты оснований по деформациям

Целью расчетов оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений фундаментов и надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменения проектных уровней и положений конструкций, расстройства их соединений и т. п. При этом имеется в виду, что прочность и трещино-стойкость фундаментов и надфундаментных конструкций проверены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при вза-имодействии сооружения и основания. Расчеты оснований по деформациям производятся исходя из условия где s -- совместная деформация основания и сооружения; s_u -- предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанав-ливаемое нормами или заданием на проектирование. Характерные формы совместной деформации основания и сооружения легко могут быть определены при известных значениях абсолютных оса-док фундаментов. Максимальное значение абсолютной осадки фундамента всегда будет соответствовать ста-билизированному состоянию основания. Однако в определенных инженерно-геологических условиях максимальная неравномерность осадок фундаментов может возникнуть не только после завершения процесса консолидации основания, но и в период развития осадок. Поэтому в необходимых случаях расчеты неравномер-ности осадок следует производить с учетом длительности процесса и прогноза времени консолидации основания. Важнейшей предпосылкой применения методов расчета осадок, основанных на использовании положений теории линейного деформирования грунта, является ограничение среднего давления под подошвой фундамента. При постоянной нагрузке от сооружения на фундамент приведет к уменьшению площади его подошвы, т. е. позволит принять более экономичное решение. Поэтому совер-шенствованию способов определения расчетного сопротивления грунтов основания в практике фундаментостроения уделяется большое значение. В настоящее время в соответствии со СНиП расчетное сопротивление грунтов основания определяется по формулегде у_Сх, у_С2 -- коэффициенты условий работы, принимаемые по табл.; к -- коэффициент надежности, принимаемый равным 1; М_у, M_q, М_с -- коэффициенты, зависящие от расчетного угла внутреннего трения; к₂ -- коэффициент, принимаемый равным при ширине подошвы фундамента; у_и -- осредненный расчетный удельный вес грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, кН/м³; у'_п -- то же, залегающих выше подошвы; d_l -- при-веденная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала: здерь h_s -- толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; h_cf -- толщина пола подвала, м; df, -- глубина подвала, равная расстоянию от уровня планировки до пола подвала.

7. Виды воды в грунтах

Вода встречается в грунтах 3-х видов: 1. свободная (гравитационная - она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами), 2.рыхло связанная (адсорбированная - представляет собой диффузный переходный слой от прочно связанной воды к свободной), 3. прочносвязанная ( ее слой состоит из одного или нескольких слоев молекул, эта вода не отделяется от твердых частиц даже при большом воздействии сил). График нагрузки от диаметра частиц. Увлажнение глинистого грунта приводит к увеличению толщины пленок воды между частицами. Это сопровождается увеличением объема грунта, т.е грунт набухает. При высыхании глинистые грунты уменьшаются в объеме вследствие утончения пленок воды. Когда связность грунта обусловлена наличием пленочной воды или растворимых солей, его увлажнение может приводить к полному его размоканию. Связность (прочность) грунта, зависящая от толщины слоя рыхло связанной воды, может резко снижаться при нарушении определенного расположения частиц. Со временем прочность грунта может восстанавливаться (явление тиксотропии). Глинистые грунты обладают cвойствами пластичности, связности, ползучести, набухаемости при увлажнении, усадки при высыхании, размокаемости, тиксотропности. В грунтах вода встречается в 2-х состояниях: в свободном (т.е когда поры связаны с атмосферой) и замороженном. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной - она связана с твердыми частицами.

8. Типы подземных вод

1. верховодка - временный водоносный горизонт, который залегает на линзе водоупорного грунта;

2. грунтовые - первые от поверхности, которые находятся до 1-го водоупора;

3. межпластовые (напорные артезианские),

4. карстовые - в скале образуется пустота и между ними протекает вода.

10. Структура и текстура грунтов

Структурой грунтов называется их строение, т. е. взаимное расположение отдельных минеральных частиц или агрегатов частиц, на которые могут распадаться грунты. Структура грунтов формируется в процессе отложения твердых частиц и в условиях диагенеза. Она зависит от свойств минеральных частиц (минералогический состав, размеры, форма) и свойств среды, в которой образуется грунт. Различают: 1)Зернистая структура характерна для несвязных грунтов (песок, гравий). Взаимное расположение отдельных частиц в грунте зависит от условий их отложения и может варьировать от рыхлого до плотного. Рыхлая зернистая структура образуется при большой концентрации частиц в потоке воды, из которого они выпа-дают.

2) Раздельно-пленочная (содержание глинистых частиц до 10 %). 3)Хлопьевидная структура (суглинки, глины) образуется при осаждении в воде коллоидных частиц. Эти частицы обычно длительное время находятся в воде во взвешен-ном состоянии под влиянием броуновского движения и осаждаются в процессе коагуляции с образованием сплошной хлопьевидной струк-туры. 4) Слитная (ил, чистые глины)Текстурой грунтов называется их сложение, зависящее от условий накопления осадка. Например, в озерах ледникового периода образовывались глинистые отложения с характерной слоистой тексту-рой. Эти отложения представляют собой чередующиеся тонкие слои из глинистых частиц, выпадавших в зимний период под льдом, и из пылеватых и песчаных частиц, оседавших в теплый период года. Различают слоистую, сыпучую и слитную текстуру. Слоистая текстура -- это наиболее распространенный вид сложе-ния грунтов, характерный для морских, озерных и других отложений. Сыпучая текстура характерна для несвязных грунтов -- песков, гравелистых грунтов и др.Слитная текстура присуща морским отложениям, а также лессовидным грунтам эолового происхождения.

12. Характеристики сжимаемости грунтов и методы их определения.

Сжимаемость грунтов -- характернейшее их свойство, сущест-венно отличающее грунты от массивных горных пород и других твердых тел, и заключается оно в способности грунтов изменять (иногда значительно) свое строение (упаковку твердых частиц) под влиянием внешних воздействий (сжимающей нагрузки, высы-хания, коагуляции коллоидов и пр.) на более компактное за счет уменьшения пористости грунта. Уменьшение пористости грунтов при более компактной упаков-ке частиц происходит как вследствие возникновения некоторых местных сдвигов частиц и соскальзывания более мелких частиц в поры грунта, так и вследствие изменения толщины водно-колло-идных оболочек минеральных частиц под влиянием увеличения давления, высыхания, коагуляции. Для грунтов полностью водонасыщенных изменение пористости возможно лишь при изменении их влажности. Изменение объема пор дисперсных грунтов при высыхании, а также в результате медленных физико-хими-ческих процессов учитывают лишь в отдельных исключительных случаях, и основным процессом изменения объема грунтов будет уплотнение их под нагрузкой. Характеристики сжимаемости:а) скальных грунтов 1.модуль упругости E= ?/?; ?= E?; рисунок. 2.коэф-т Пуассона. Рисунок. ?(?)= ?' /?”; ?'=?d/d; ?”= ?H/H; б)дисперсных (несвязных) грунтов 1. m₀ - коэф-т сжимаемости (уплотнения); 2. m_? - коэффициент относительной сжимаемости; 3.E₀ - модуль деформации; 4. ? - коэффициент бокового расширения; С_? - коэффициент Постели. Определение характеристик сжимаемости. Компрессионное испытание грунтов. Производится в приборах одометрах при одноосном сжатии и невозможности бокового расширения.

1 - образец грунта; 2 - кольцо; 3 - фильтровальная бумага; 4 - штамп с отверстиями; 5 - поддон; 6 - жесткая обойма; 7 - индикаторы часового типа; 8 - центрирующий шарик.

Последовательность испытаний: На образец грунта ступени с нагрузкой Р₁, Р₂, Р₃ прикладывается нагрузка с одновременным измерением деформации (индикатор час. типа), точность - 0,01 мм. Нагрузку на каждой ступени выдерживают до полной стабилизации деформации. При разгрузке повторяются аналогичные испытания. По результатам испытаний строят график компрессионной кривой. График 1- график компресс. кривой; 2-график уплотнения; 3-график разуплотнения. По графику определим коэффициент сжимаемости m₀ = е₁-е₂/ ?₁- ?₂; коэффициент относительной сжимаемости m_?=m₀/1+l₀.

18. Устройство стабилометра

Рисунок. 1-образец грунта, 2-резиновая оболочка, 3- жидкость (глицерин - т.к меньше сжимается), 4-исток для создания давления (вертикального), 5-монометр давления жидкости, 6-монометр для измерения поровой воды, 7-герметичный корпус прибора. Последовательность испытаний :1. на образец грунта подается боковое давление, при этом образец испытывает напряжение (давление с разных сторон).2.Ступенями подается вертикальная осевая нагрузка, до разрушения образца ?=P/S. 3.На образец грунта подается горизонтально. Нагрузка больше чем в первый раз. 4. Ступенями прикладывается вертикальная нагрузка до разрушения образца больше чем в первый раз. По рез-м испытания строятся график. График. Круги получаются т.к действие касательного напряжения. Из графика определят угол внутреннего. трения (?), удельное сцепление (С).

25. Основные характеристики просадочности и методы их определения

Определяются в компрессионных приборах, хар-ми к-го явл-ся Р_se - начальное просадочное давление, ?_se - относительная просадочная деформация; W _se - относительная просадочная влажность. Основной хар-кой просадочности грунтов явл-ся относительная просадочная деформация: ?_se=h₀-h_se/h₀, где h₀ - первоначальная высота образца; h_se- конечная высота образца.Рисунки. Если ?_se больше или равен 0,01, то грунт считается просадочным. Р_se - начальное просадочное давление (это давление соответствует относит-й просадоч-й деформации = 0,01).Один из методов определения просадочных хар-к (лабораторный) наз-ся метод 2-х кривых. Рисунок. 1-график деформирования образца грунта в одометре в естественном состоянии, 2- график деформирования образца грунта в одометре при полном водонасыщении. Из этих графиков опр-т просадочные хар-ки.

26. Прочностные хар-ки грунтов (скальных)

Под прочностью дисперсных грунтов понимается их способность сопротивляться касательным напряжениям. Прочностные хар-ки дисперсных грунтов определяется экспериментально в сдвиговых приборах . Рисунок. ?=P/A; ?=T/A; A-площадь, Испытания проводятся по 2-м схемам: 1.по закрытой (неконсолидированно-недренированные - быстрый сдвиг) и 2. открытой (консолидированно-дренированные - медленный сдвиг) системам. В первом случае образцы связных грунтов должны быть ис-пытаны при отсутствии условий выдавливания воды из пор грунта (т.е грунт специально не увлажняют) и так, чтобы во время испытания практически не изменялась их плотность-влажность, что можно выполнить лишь при быстром сдвиге. С (кПа) - коэф-т удельного сцепления. Удельное сцепление хар-ет силу связи твердых частиц между собой. В песчаных грунтах он приблизительно равен 0. Угол внутр. трения (?)- при кот-м грунт сохраняет свою устойчивость. Рисунок 1. Анализируя график следует, что можно определить ? по з-ну Кулона: ?пр= ? tg? + c. ?пр-предельное сопротивление грунтов срезу прямо пропорционально нормальному давлению. Сопротивление грунта срезу (сдвигу) зависит от величины нормальных к плоскости среза напряжений ? и прочностных хар-к грунтов. 2. При этом методе добавляют воды. Отличие медленного среза от быстрого отличается прикладыванием нагрузки только после стабилизации деформации предыдущей ступени загружения. На каждой ступени происходит медленная фильтрация грунтовых вод, при превышении гориз. деформации 5мм считается произошел срез. Прочностные хар-ки грунтов прим. При определении допускаемого давления на грунт и при расчетах грунтов по несущей способности (расчет на устойчивость склона).

27. Методы определения прочностных хар-к дисперсных грунтов

Под прочностью дисперсных грунтов понимается их способность сопротивляться касательным напряжениям. Прочностные хар-ки дисперсных грунтов определяется экспериментально в сдвиговых приборах . Рисунок. ?=P/A; ?=T/A; A-площадь.

Строительная классификация грунтов. ГОСТ 25100-85. Согласно классификации грунты подразделяются: - на классы (по хар-ру структурных связей); - на группы (по хар-ру структурных связей с учетом прочности); -на подгруппы (по происхождению и условиям образования); - на типы (по веществу); - на виды (по наименованию грунта); -на разновидности (по cв-вам грунтов). Классификация: Класс природные скальные грунты(грунты с жесткими структурными связями).

6. Производные и классификационные характеристики грунтов

1. Плотность скелета (сухого грунта)- отношение массы твёрдых частиц к объёму всего грунта (?_d)

?_d=m₁/V₁+V₂+V₃; или ?_d= ?/1+W

2.Коэффициэнт пористости. (e)

e=V₂+V₃/V₁ ; e= ?_s+ ?_d / ?_d

Пористость - отношение объёма пор к общему объёму грунта.

n=V₂+V₃/V₁+V₂+V₃ ; n=e/1+e

Коэффициент пористости:

Если е=0.8 до 1.5 - то это просадочные грунты (лессовые грунты).

Е=0.1 до 0.8, то - песчаные глинистые грунты

3.степень водонасыщения - отношение объема воды к объему пор.

Sr=V₂/V₂+V₃ ; Sr=W* ?_s/e* ?_w ; ?_w=1.0 г/см² плотность воды

4. удельный вес

? = ?*g ; ? _s= ?_s*g

5. Для глинистых грунтов сущ. 2 показателя:

5.1 - число пластичности

Y_p=W_L-W_p

5.2 - показатель текучести

Y=W_L-W_p/Y_p