Механика грунтов Лекция №1

как материал, основание сооружения или среда его размещения. грунты делят

на: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые и особые.
Скальные представлены магматическими, метаморфическими или осадочными породами с прочными жесткими связями между минеральными зернами. Они обычно представляют собой прочное и надежное основание.
Однако из-за выветривания верхний слой скалы иногда представляет собой подобие сухой кладки. При строительстве капитального сооружения может потребоваться его удаление. Некоторые породы снижают прочность при водонасыщении или даже растворяются в воде – выщелачиваются.
Особенно это характерно для полускальных пород (вулканические туфы, некоторые известняки, мергели, глинистые сланцы, гипс и др.) с прочностью на сжатие меньше 5 МПа. Они подвержены также быстрому выветриванию в обнажениях выемок, котлованов, выработок.
Крупнообломочные и песчаные грунты – продукты физического выветривания скальных пород. В крупнообломочных более 50% составляют обломки (частицы) размером > 2 мм; в песчаных их менее 50%. Содержание глинистой фракции для песчаных грунтов должно быть менее 3%.

по плотности сложения. Для некоторых разновидностей (мелкие и пылеватые пески)

имеет значение также степень заполнения пор водой. Плотные крупнообломочные и песчаные грунты являются обычно надежным основанием сооружений. Однако рыхлые пески интенсивно уплотняются при динамических воздействиях.
Пылевато-глинистые грунты – продукт физического и химического выветривания горных пород. В зависимости от содержания глинистой фракции их подразделяют на супеси (3…10%), суглинки (10…30%) и глины (> 30 %). Свойства этих грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом и содержанием воды, т.е. влажностью. Для них характерны такие свойства, как способность принимать твердое, пластичное или текучее состояние в зависимости от влажности, набухание, размокание, липкость, усадка.
В группу особых выделяются илы, торфы, заторфированные грунты, просадочные лессы и лессовидные грунты, мерзлые и вечномерзлые, засоленные грунты и др.
Определяющим свойством грунтов этой группы является их структурная неустойчивость. Это способность структурных связей быстро разрушаться при некоторых воздействиях, нехарактерных для обычных условий формирования и существования таких грунтов. При этом основание получает большие по величине и быстро протекающие осадки, называемые просадками. Соответственно грунты этой группы характеризуются как просадочные.

грунтов могут резко изменяться в зависимости от состояния.
Например:

Глина: - в текучем состоянии Р = 0,5 кг/см2 = 0,05 МПа;
в -твердом состоянии Р = 500 кг/см2 = 50 Мпа.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонентов: твердой, жидкой и газообразной

объем образца грунта; V1 –
объем минеральных частиц грунта
в объеме V;

V2 – объем воды в порах;
M – масса образца грунта;
M1 –масса частиц грунта (скелета); M2 –
масса содержащейся в порах воды;

M

V

путем:
Плотность грунта (кг/м3) – это отношение массы грунта к его

объему.


Существуют различные лабораторные методы определения плотности. Так, в соответствии с ГОСТ 5190-84 плотность можно определять методами режущего кольца (рис.2.1-а), методом лунки (рис.2.1-б), взвешивания в воде (метод парафирования) и взвешивания в нейтральной жидкости (рис.2.1-в).

ρ = М/ V=(m1+m2)/(V1+V2+V3)

Рис.2.1. Методы определения плотности грунта
а) метод режущего кольца; б) метод лунки; в) метод взвешивания в воде

ГОСТ 5180-84.

объему и измеряется в Ньютонах на метр в кубе.

Плотность

частиц грунта (кг/м3) –отношение массы твердых (скелетных) частиц грунта к их объёму.

ρs = m1 /V1

Плотность частиц грунта характеризуется его минералогическим составом и является для конкретного грунта величиной постоянной, не зависящей от плотности сложения и влажности грунта. Плотность частиц составляет у супесей 2,63 - 2,73 г/см3, у суглинков 2,66 - 2,76 г/см3, у глин 2,70 - 2,80 г/см3. Плотность частиц грунта определяется пикнометрическим методом с помощью специальных мерных колб (пикнометров) емкостью не менее 100 см3. Для определения плотности частиц незасоленных грунтов следует применять дистиллированную воду.

Количество воды, содержащейся в порах грунта в естественных условиях залегания,

называется естественной (природной) влажностью.

W = (M – m1)/ m1 = m2 / m1

Влажность грунта определяют весовым методом.

Необходимое оборудование: лабораторные весы с разновесами, шкаф сушильный с термометром, эксикатор с хлористым двуводным кальцием, алюминиевые стаканчики с крышками (бюксы), нож.

вычетом массы воды и льда в его порах), к его

первоначальному объему.


Удельный вес сухого грунта (скелет грунта) считается аналогично удельному весу грунта.

ρd = M1 / V = ρ / (1+W)

γd = ρd ⋅ g = γ / (1+W)

Пористость грунта n определяется как отношение пор ко всему объёму грунта, что соответствует объёму пор в единицы объема грунта.


Относительное содержание твердых частиц в единицы объема грунта обозначают через m= V1/V , тогда m+n=1
n – объем пор в единице объема грунта
m - объем твердых частиц в единице объема грунта

Коэффициент пористости грунта - отношение объема пор к объему твердых частиц скелета грунта.

n= (V2+V3)/V

e= n/m = n /(1-n), откуда
e=(ps - pd) / pd

используется в расчетах. Для песчаных грунтов коэффициент пористости с достаточной

точностью характеризует плотность их сложения(плотность взаимной упаковки частиц) и используется как классификационный показатель. Понятие «пористость» и «влажность» грунта определенным образом связаны между собой.

Полная влагоёмкость грунта – это полное водонасыщение грунта т.е. когда все поры заполнены водой.



где , pw – плотность воды; ys – удельный вес воды

Степень влажности (степень водонасыщения) Sr – определяется как отношение объема воды в порах грунта к объёму пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости.

Sr=wp/(epw) или Sr = wys/yw

Wsat=epw/ps или Wsat=eyw/ys

зависимости от их влажности.
Сильно увлажненные глинистые грунты обладают способностью растекаться,

при подсушивании он переходит в пластичное состояние, а при дальнейшим уменьшении влажности – в твердое.

По консистенции различают три состояния глинистого грунта: твердое, пластичное и
текучее. Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности,
Называемые границей раскатывания (нижний предел пластичности) Wp и границей
текучести (верхний предел пластичности) WL

установить его состояние по консистенции. Для этого
показатель текучести IL

, являющейся важной классификационной характеристикой
глинистых грунтов.

IL = (W - Wp) / (WL - Wp) = (W - Wp)/ Ip

Разницу между границей текучести и границей раскатывания называют
числом пластичности.

Ip = WL - Wp

По числу пластичности устанавливают вид пылевато-глинистого грунта:

оснований необходимо знать характеристики механических свойств грунтов. 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.

Механические свойства грунтов

Механические свойства грунтов зависят от их состава (мине­рального и гранулометрического), физического состояния (плот­ности, влажности, температуры) и структурных особенностей, обус­ловленных физико-географическими условиями образования и по­следующего изменения грунтов. Грунты каждой строительной пло­щадки формировались в течение длительного времени, испытывали различные, часто неопределенные, воздействия природной среды, а возможно, и человеческой деятельности. Поэтому характеристики их механических свойств, как правило, не могут быть назначены в зависимости от физического состава и состояния, а должны определяться экспериментально. Для определения характеристик механических свойств грунтов обычно проводятся лабораторные и полевые испытания. В лабора­тории испытываются образцы грунта относительно небольших раз­меров, отобранные на площадке строительства из шурфов и скважин.

под нагрузкой.
Все механические характеристики грунта делятся на 3 группы:

— сдвиго­вое; г — трехосное в стабилометре; д — трехосное

в приборе с независимыми главными напражениями

одометров и стабилометров. При работе с одометром образец грунта ненарушенной

структуры помещают в жесткое металлическое кольцо, которое вместе с образцом устанавливают на пористое днище. Нагрузка N передается на образец грунта поршнем. Конструкция поршня (как и днища) допускает фильтрование через него отжимаемой из образца воды. Деформацию образца измеряют индикатором. Одометр находится в ванне, в которую при испытаниях водонасыщенных грунтов наливают воду. Образец грунта имеет форму цилиндра высотой h более 20 мм и диаметром основания более 71 мм с отношением высоты к диаметру 1:3,5. Относительно малая высота образца позволяет уменьшить влияние сил трения грунта о кольцо на деформацию грунта. Однако одометры имеют два существенных недостатка: 1) наличие трения между боковой поверхностью образца грунта и жесткими стенками корпуса искажает результаты опыта; 2) неточность пригонки горизонтальных поверхностей грунтового образца к пористым дискам и его боковой поверхности к стенкам корпуса одометра приводит к значительному завышению деформаций образца

— поршень; 4 — индикатор; 5 — ванна; 6 —

днище

Компрессия – это сжатие грунта без возможного бокового расширения.

Одометр

пространство между которой и жесткими стенками металлического цилиндра заполняется жидкостью,

например водой. Герметичность пространства, в котором находится вода, окружающая образец с боков, и ее малая сжимаемость (по сравнению с грунтом) позволяют считать, что образец испытывает сжатие без бокового расширения. Достоинством стабилометра является то, что в нем устраняются силы трения по боковой поверхности образца и появляется возможность измерения сил бокового давления манометром. При испытании образца грунта давление σ, кПа, определяемое по формуле σ = N/A (здесь N — вертикальная нагрузка на образец, кН; А — площадь поперечного сечения образца, м2), повышают ступенями от 12,5 до 50 кПа, выдерживая каждую ступень до прекращения деформации образца, т. е. до стабилизации осадки. В песчаных грунтах стабилизация осадки происходит в течение нескольких минут, а в глинистых грунтах она может длиться несколько суток. В результате испытания устанавливают значения осадки образца s, мм, соответствующие каждой ступени нагрузки, и строят график зависимости относительного вертикального укорочения образца е, определяемого по формуле e=s/h (здесь h — высота образца, мм), от передаваемого на него давления а (рис. 1.7), а также кривую зависимости коэффициента пористости е от а которая называется компрессионной кривой.

3 — цилиндр; 4 — пространства, заполненное жидкостью; 5 —

трубка от насоса; 6 — кран; 7 — манометр; 8 — поршень; 9 — бюретка для измерения объема образца; 10— уровень воды; 11 — кран для отвода воды, отжимаемой из образца грунта

Испытание грунта в приборе 3х осного сжатия ближе отвечает его работе в природных условиях и даёт наиболее надёжные результаты в определении его прочностных и деформационных свойств.
3х осному напряженному состоянию грунт подвергается в стабилометре. В приборе грунт находится в условиях объёмного напряженного состояния.

его пористости в проектно-изыскательской практике результаты компрессионных испытаний традиционно пред­ставляют

в виде компресси­онной кривой — зависимо­сти коэффициента пористости грунта от сжимающего напря­жения.

известна классификация, предложенная А. Ф. Лебедевым (1936), которая явилась результатом

его многочисленных и тщательно выполненных экспериментальных работ в этой области. А. Ф. Лебедев различал в грунте следующие категории воды:
Вода в форме пара.
Связанная вода:
прочносвязанная (гигроскопическая) вода;
рыхлосвязанная вода.
Свободная вода:
капиллярная вода;
гравитационная вода.
Вода в твердом состоянии.
Кристаллизационная вода и химически связанная вода.

напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. При этом

под сплошным потоком воды понимается ее неразрывное движение (фильтрация) по всему сечению активных пор грунта, т. е. той части пор, которая не заполнена связанной водой. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минерального состава, градиента напора.
.

Здесь Н1 и Н2 – напоры; L – длина пути фильтрации; Н = Н2 - Н1 – потеря напора или «действующий напор». Если линии токов воды (движения частиц в потоке) нигде не пересекаются друг и другом, то такое движение называется ламинарным, при наличии пересечений и завихрений движение называется турбулентным. В грунтах в большинстве случаев движение воды будет ламинарным (опыты Пуазейля, Дарси и другие).
Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше уклон поверхности уровня грунтовых вод (так называемый «гидравлический градиент»).

поперечного сечения грунта (скорость фильтрации) прямо пропорционален гидравлическому градиенту i:
vф = kф ·

i;
где kф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при градиенте i = 1 [см/сек, см/год]. Коэффициент фильтрации зависит от типа грунта и определяется экспериментально.
Зависимость скорости фильтрации от гидравлического градиента i. Для водопроницаемых грунтов (пески, галечники) зависимость прямая 

Гидравлический градиент равен отношению потери напора Н= Н2- Н1 к длине пути фильтрации L:

Фильтрация воды в глинистых грунтах начинается при достижении некоторой начальной величины градиента i, преодолевающей внутреннее сопротивление движению, оказываемое водно-коллоидными пленками. На рисунке (илл.6) изображены экспериментально найденные зависимости скорости фильтрации vф от гидравлического градиента i. Здесь i0 - начальный гидравлический градиент
В результате закон ламинарной фильтрации для связных грунтов будет иметь вид: vф = kф · (i – i0).

воды в порах грунта между ним и частицами возникают объемные

силы взаимодействия. Равнодействующую этих сил в каждой точке можно разложить на две составляющие: направленную вертикально вверх и действующую по направлению движущегося потока. Первая составляющая называется взвеши­вающей силой (архимедовой силой) и оказывает выталкивающее воздействие на частицы грунта (взвешивание грунта в вода).
Вто­рая — фильтрационная сила — приводит к гидродинамическо­му давлению движущейся воды на частицы грунта. Взвешивающие силы проявляются даже при отсутствии движения воды и обуслов­ливают уменьшение удельного веса грунта ниже уровня подземных вод. Фильтрационные силы возникают только при движении потока воды в грунте, и их интенсивность зависит от гидравлического градиента.
Движение воды в грунтах может приводить к развитию разно­образных процессов, осложняющих строительство. К ним, в частно­сти, относятся процессы механической суффозии и кольматации грунта.
Суффозия заключается в том, что движущийся поток воды в крупных порах песчаных и крупнообломочных грунтов может увлекать мелкие частицы, которые оседают в каких-либо частях массива и кольматируют (закупоривают) поры или выносят­ся на поверхность. В результате начавшейся суффозии может проис­ходить увеличение пористости грунта, приводящее к возрастанию скорости фильтрации и дальнейшему развитию процесса.

скорости фильтрации, напря­жений в скелете грунта и определяется экспериментально. Одним

из основных путей борьбы с суффозией грунта является уменьшение действующего напора.
В грунтах, содержащих большое количество растворимых мине­ралов (гипс, кальцит, галит и др.), движущийся поток воды может вызывать химическую суффозию — растворение и постепенное вымывание этих минералов. Эти процессы также сопровождаются увеличением пористости и ослаблением грунта. Наиболее опасным здесь является карстообразование — развитие больших воронок и подземных полостей, сильно осложняющих строительство. Эти вопросы будут рассмотрены в гл. 16.
Выше отмечалось, что связанная вода в глинистых грунтах практически не принимает участия в фильтрации, вызванной раз­ностью напоров, обычных для условий промышленного и гражданского строительства. В некоторых случаях возникает необходимость откачки поровой воды из глинистых грунтов. Для этого через водонасыщенный грунт пропускают постоянный электрический ток, вызывающий движение катионов, окруженных гидратными оболоч­ками, к отрицательному электроду. Этот процесс называется элек­троосмотической фильтрацией, причем скорость движения во­ды может увеличиться в 10... 100 раз по сравнению с напорной фильтрацией в тех же грунтах.
 

При выходе потока воды на открытую поверхность (например, откос котлована)

может развиваться поверхностная суф­фозия, приводящая к образованию воронок размыва и последующе­му разрушению (оплыванию) этой поверхности.
Напротив, кольматация, т. е. отложение мелких частиц вблизи открытой поверхности, вызывает уменьшение пористости и сниже­ние водопроницаемости грунта. Кольматация бортов котлована уменьшает приток фильтрующей в него воды. В то же время кольматация дренажных устройств, используемых для отвода воды, приводит к постепенному их выходу из строя

гаража, а также ливневые дожди, которые подмыли фундамент.
Кроме

того, дом стоял на реке с глинистыми берегами, что тоже способствовало размыванию грунта под фундаментом дома.