Деформационные свойства грунтов методы их определения. Нормативные документы. Определение прочностных характеристик по физическим характеристикам
СП 22.13330.2011
Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88
Автор НИИОСП им.Н.М.Герсеванова
Глава 5.3. п.:
- Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения φ, удельное сцепление c
, предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов R c
, модуль деформации E
и коэффициент поперечной деформации υ грунтов). Допускается применять другие параметры, характеризующие взаимодействие фундаментов с грунтом основания и установленные опытным путем (удельные силы пучения при промерзании, коэффициенты жесткости основания и пр.).
Примечание - Далее, за исключением специально оговоренных случаев, под термином "характеристики грунтов" понимают не только механические, но и физические характеристики грунтов, а также упомянутые в настоящем пункте параметры.
СП 50-101-2004 "Проектирование и устройство оснований
и фундаментов зданий и сооружений"
Автор НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, ГУП Мосгипронисельстрой
п.5.1.8
В состав физико-механических характеристик грунтов входят:
- - плотность грунта и его частиц и влажность (ГОСТ 5180 и ГОСТ 30416);
- - коэффициент пористости;
- - гранулометрический состав для крупнообломочных грунтов и песков (ГОСТ 12536);
- - влажность на границах пластичности и текучести, число пластичности и показатель текучести для глинистых грунтов (ГОСТ 5180);
- - угол внутреннего трения, удельное сцепление и модуль деформации грунтов (ГОСТ 12248, ГОСТ 20276, ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);
См. Нормативные значения этих характеристик - Приложение А СП 22.13330.2016
- - временное сопротивление при одноосном сжатии, показатели размягчаемости и растворимости для скальных грунтов (ГОСТ 12248).
К физические характеристики грунтов относятся:
Для специфических грунтов, особенности проектирования оснований которых изложены в разделе 6 СП 22.13330.2011, и при проектировании оснований подземных частей сооружений (см. раздел 9) дополнительно должны быть определены характеристики, указанные в этих разделах.
К грунтам со специфическими неблагоприятными свойствами относятся:
-
Просадочные грунты
Набухающие грунты
Засоленные грунты
Органоминеральные и органические грунты
Элювиальные грунты
Насыпные грунты
Намывные грунты
Пучинистые грунты
Закрепленные грунты
При определении расчетного сопротивления грунта R оснований деревянных домов, относящихся к 3 пониженному классу ответственности , по табличным значениям R 0 (В.1-В.10 приложения В) не требуется определения таких физико-механических характеристик, как:
Угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации и коэффициент поперечной деформации грунтов (ГОСТ 12248 , ГОСТ 20276 , ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);
См. пример определения свойств грунтов для замены фундамента на странице сайте: "Пример расчета основания деревянного дома "
Определения
Приложение А. п.:
- Коэффициент пористости e
определяется по формуле (См. А.6 ГОСТ 25100-2011)
e = (ρ s - ρ d)/ρ d , (А.5)
-
ρ s -плотность частиц (скелета) грунта, масса единицы объема твердых (скелетных) частиц грунта г/см3;
ρ d - плотность сухого грунта, отношение массы грунта за вычетом массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему, г/см3, определяемая по формуле
- Плотность сухого грунта (скелета) ρ d
определяют по формуле (см. А.16 ГОСТ 25100.2011)
ρ d = ρ/(1+w ), (А.8)
-
где ρ - плотность грунта, г/см 3 (см. ГОСТ 5180);
w - естественная влажность грунта, %
- Показатель текучести I L
- отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластичности Ip
А.18 ГОСТ 25100-2011 , Показатель текучести I L д.е., - показатель состояния (консистенции) глинистых грунтов; определяют по формулеI L = (w - w p)/I p , (A.9)
-
где w - естественная влажность грунта, % (см. ГОСТ-5180-84);
w p - влажность на границе раскатывания, % (см. ГОСТ 5180);
I p - число пластичности, %, (см. А.31 ГОСТ 25100-2011)
- Число пластичности I p
(См. А.31 ГОСТ 25100-2011), %; определяют по формуле
I p = w L - w p , (A.17)
-
где w L - влажность на границе текучести, % (см. 4 ГОСТ 5180);
w p - влажность на границе раскатывания, % (см. 5 ГОСТ 5180)
Сжимаемость - способность грунта уменьшаться в объеме под действием внешней силы, характеризуется коэффициентом сжимаемости m 0 (тангенсом угла наклона компрессионной кривой), определяемого по формуле (См. 5.4 ГОСТ 12248-2010)
m 0 = (e i - e i+1)/ (p i+1 - p i) 5.32
-
e i и e i+1 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям p i и p i+1 .
- По измеренным в процессе испытания значениям горизонтальной срезающей и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и σ, МПа, по формулам:
τ = 10Q / A; (5.3)
σ = 10F / A; (5.4) - Удельное сцепление
c
и угол внутреннего трения
φ
грунта определяются как параметры линейной зависимости
τ = σ tg(φ) + c (5.5)
-
τ и φ определяются по формулам (5.3) и (5.4) = Q/A, (5.1) - касательные напряжения и
= F/A, (5.2) - нормальные напряжения
Q и F -соответственно касательная и нормальная сила к плоскости среза, кН
A - пллощадь среза, см2
Источник:
ГОСТ 12248-2010 плотность грунта ρ
- отношение массы грунта включая массу воды в его порах к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность сухого грунта ρ
d - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность частиц грунта ρ
s - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта (г/см 3 т/м 3).
Полная влагоёмкость Wo – максимально возможное содержание в грунте всех возможных видов воды при полном заполнении его пор.
w sat = n.ρ w / ρ d
-
где: n – пористость, д.е.,
ρ w – плотность воды, г/см3,
ρ d – плотность сухого грунта .
1. Характеристики грунтов, приведенные в табл. 1-3, допускается использовать в расчетах оснований сооружений в соответствии с указаниями п. 2.16.
Таблица 1
с n j n , град. и модуля деформации Е , МПа (кгс/см 2), песчанных грунтов четвертичных отложений
Песчаные грунты | Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е , равном | ||||
0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | ||
Гравелистые и крупные | c n | 2(0,02) | 1(0,01) | - | - |
j n | - | ||||
E | 50(500) | 40(400) | 30(300) | - | |
Средней крупности | c n | 3(0,03) | 2(0,02) | 1(0,01) | - |
j n | - | ||||
E | 50(500) | 40(400) | 30(300) | - | |
Мелкие | c n | 6(0,06) | 4(0,04) | 2(0,02) | - |
j n | |||||
E | 48(480) | 38(380) | 28(280) | 18(180) | |
Пылеватые | c n | 8(0,08) | 6(0,06) | 4(0,04) | 2(0,02) |
j n | |||||
E | 39(390) | 28(280) | 18(180) | 11(110) |
Таблица 2
Нормативные значения удельного сцепления с n , кПа (кгс/см 2), угла внутреннего трения j n , град., пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений
Обозначения характеристик грунтов | Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е , равном | ||||||||
0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | |||
Супеси | 0 £ I L £ 0,25 | c n j n | 21 (0,21) | 17 (0,17) | 15 (0,15) | 13 (0,13) | - - | - - | - - |
0,25 < I L £ 0,75 | c n j n | 19 (0,19) | 15 (0,15) | 13 (0,13) | 11(0,11) | 9 (0,9) | - - | - - | |
Суглинки | 0 < I L £ 0,25 | c n j n | 47 (0,47) | 37 (0,37) | 31 (0,31) | 25 (0,25) | 22 (0,22) | 19 (0,19) | - - |
0,25 < I L £ 0,5 | c n j n | 39 (0,39) | 34 (0,34) | 28 (0,28) | 23 (0,23) | 18 (0,18) | 15 (0,15) | - - | |
0,5 < I L £ 0,75 | c n j n | - - | - - | 25 (0,25) | 20 (0,20) | 16 (0,16) | 14 (0,14) | 12 (0,12) | |
Глины | 0 < I L £ 0,25 | c n j n | - - | 81 (0,81) | 68 (0,68) | 54 (0,54) | 47 (0,47) | 41 (0,41) | 36 (0,36) |
0,25 < I L £ 0,5 | c n j n | - - | - - | 57 (0,57) | 50 (0,50) | 43 (0,43) | 37 (0,37) | 32 (0,32) | |
0,5 < I L £ 0,75 | c n j n | - - | - - | 45 (0,45) | 41 (0,41) | 36 (0,36) | 33 (0,33) | 29 (0,29) |
Таблица 3
Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых грунтов
Происхождение и возраст грунтов | Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести | Модуль деформации грунтов Е , МПа (кг/см 2), при коэффициенте пористости е , равным | ||||||||||||
0,35 | 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | ||||
Четвертичные отложения | Аллювиальные, Делювиальные, Озерные, Озерно-аллювиальные | Супеси | 0 £ I L £ 0,75 | - | 32 (320) | 24 (240) | 16 (160) | 10 (100) | 7 (70) | - | - | - | - | - |
Суглинки | 0 £ I L £ 0,75 | - | 34 (340) | 27 (270) | 22 (220) | 17 (170) | 14 (140) | 11 (110) | - | - | - | - | ||
0,25 < I L £ 0,5 | - | 32 (320) | 25 (250) | 19 (190) | 14 (140) | 11 (110) | 8 (80) | - | - | - | - | |||
0,5 < I L £ 0,75 | - | - | - | 17 (170) | 12 (120) | 8 (80) | 6 (60) | 5 (50) | - | - | - | |||
Глины | 0 £ I L £ 0,75 | - | - | 28 (280) | 24 (240) | 21 (210) | 18 (180) | 15 (150) | 12 (120) | - | - | - | ||
0,25 < I L £ 0,5 | - | - | - | 21 (210) | 18 (180) | 15 (150) | 12 (120) | 9 (90) | - | - | - | |||
0,5 < I L £ 0,75 | - | - | - | - | 15 (150) | 12 (120) | 9 (90) | 7 (70) | - | - | - | |||
Флювиоглянциальные | Супеси | 0 £ I L £ 0,75 | - | 33 (330) | 24 (240) | 17 (170) | 11 (110) | 7 (70) | - | - | - | - | - | |
Суглинки | 0 £ I L £ 0,75 | - | 40 (400) | 33 (330) | 27 (270) | 21 (210) | - | - | - | - | - | - | ||
0,25 < I L £ 0,5 | - | 35 (350) | 28 (280) | 22 (220) | 17 (170) | 14 (140) | - | - | - | - | - | |||
0,5 < I L £ 0,75 | - | - | - | 17 (170) | 13 (130) | 10 (100) | 7 (70) | - | - | - | - | |||
Моренные | Супеси Суглинки | I L £ 0,5 | 75 (750) | 55 (550) | 45 (450) | - | - | - | - | - | - | - | - | |
Юрские отложения оксфордского яруса | Глины | -0,25 £I L £ 0 | - | - | - | - | - | - | 27 (270) | 25 (250) | 22 (220) | - | - | |
0 < I L £ 0,25 | - | - | - | - | - | - | 24 (240) | 22 (220) | 19 (190) | 15 (150) | - | |||
0,25 < I L £ 0,5 | - | - | - | - | - | - | - | - | 16 (160) | 12 (120) | 10 (100) |
2. Характеристики песчаных грунтов в табл. 1 относятся к кварцевым пескам с зернами различной окатанности, содержащим не более 20 % полевого шпата и не более 5 % в сумме различных примесей (слюда, глауконит и пр.), включая органическое вещество, независимо от степени влажности грунтов S r .
3. Характеристики пылевато-глинистых грунтов в табл. 2 и 3 относятся к грунтам, содержащим не более 5% органического вещества и имеющим степень влажности S r = 0,8.
4. Для грунтов с промежуточными значениями е , против указанных в табл. 1-3, допускается определять значения c n , j n и E по интерполяции.
Если значения е , I L и S r грунтов выходят за пределы, предусмотренные табл. 1-3, характеристики с n , j n и E следует определять по данным непосредственных испытаний этих грунтов.
Допускается в запас надежности принимать характеристики с n , ц n и Е по соответствующим нижним пределам е , I L и S r табл.1-3, если грунты имеют значения e , I L и S r меньше этих предельных значений.
5. Для определения значений с n , j n и Е по табл.1-3 используются нормативные значения е , I L и S r (п.2.12).
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Обязательное
РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЙ 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСАДКИ
1. Осадка основания s c использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства (п.2.40) определяется методом послойного суммирования по формуле
где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;
s zp , i - среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i -м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней z i - 1 и нижней z i границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента (см. пп. 2-4);
h i и Е i - соответственно толщина и модуль деформации i- го слоя грунта;
n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.
При этом распределение вертикальных нормальных 2 напряжений по глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.
1 В настоящем приложении, кроме специально оговоренных случаев, приняты следующие единицы:
для линейных величин - м (см), для сил - кН (кгс); для напряжений, давлений и модулей деформации - кПа (кгс/см 2); для удельного веса - кН/м 3 (кгс/см 3).
Примечание. При значительной глубине заложения фундаментов расчет осадки рекомендуется производить с использованием расчетных схем, учитывающих разуплотнение грунта вследствие разработки котлована.
2. Дополнительные вертикальные напряжения на глубине z от подошвы фундамента: s zp - по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, и s zp , c - по вертикали, проходящей через угловую точку прямоугольного фундамента, определяются по формулам:
s zp = ap 0 ; (2)
s zp,c = ap 0 /4, (3)
где a - коэффициент, принимаемый по табл.1 в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, равной: о = 2z/b при определении у zp и о = z/b при определении у zp , c ;
p 0 = p - s zg , 0 - дополнительное вертикальное давление на основание (для фундаментов шириной b ³ 10 м принимается р 0 = р );
р
s zg , 0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента (при планировке срезкой принимается s zg , 0 = g d , при отсутствии планировки и планировке подсыпкой s zg , 0 = gd n , где g / - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы, d и d n - обозначены на рис.1).
Рис. 1. Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве
DL - отметка планировки; NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - уровень подземных вод; В,С - нижняя граница сжимаемой толщи; d и d n глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b - ширина фундамента; р - среднее давление под подошвой фундамента; р 0 - дополнительное давление на основание; s zg и s zg, s zp и s zр, 0 - дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; Н с - глубина сжимаемой толщи
Таблица 1
Коэффициент a
x = 2z /b | Коэффициент a для фундаментов | |||||||
круглых | h = l /b , равным | ленточных (h ³ 10) | ||||||
1,0 | 1,4 | 1,8 | 2,4 | 3,2 | ||||
1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | |
0,4 | 0,949 | 0,960 | 0,972 | 0,975 | 0,976 | 0,977 | 0,977 | 0,977 |
0,8 | 0,756 | 0,800 | 0,848 | 0,866 | 0,876 | 0,879 | 0,881 | 0,881 |
1,2 | 0,547 | 0,606 | 0,682 | 0,717 | 0,739 | 0,749 | 0,754 | 0,755 |
1,6 | 0,390 | 0,449 | 0,532 | 0,578 | 0,612 | 0,629 | 0,639 | 0,642 |
2,0 | 0,285 | 0,336 | 0,414 | 0,463 | 0,505 | 0,530 | 0,545 | 0,550 |
2,4 | 0,214 | 0,257 | 0,325 | 0,374 | 0,419 | 0,449 | 0,470 | 0,477 |
2,8 | 0,165 | 0,201 | 0,260 | 0,304 | 0,349 | 0,383 | 0,410 | 0,420 |
3,2 | 0,130 | 0,160 | 0,210 | 0,251 | 0,294 | 0,329 | 0,360 | 0,374 |
3,6 | 0,106 | 0,131 | 0,173 | 0,209 | 0,250 | 0,285 | 0,319 | 0,337 |
4,0 | 0,087 | 0,108 | 0,145 | 0,176 | 0,214 | 0,248 | 0,285 | 0,306 |
4,4 | 0,073 | 0,091 | 0,123 | 0,150 | 0,185 | 0,218 | 0,255 | 0,280 |
4,8 | 0,062 | 0,077 | 0,105 | 0,130 | 0,161 | 0,192 | 0,230 | 0,258 |
5,2 | 0,053 | 0,067 | 0,091 | 0,113 | 0,141 | 0,170 | 0,208 | 0,239 |
5,6 | 0,046 | 0,058 | 0,079 | 0,099 | 0,124 | 0,152 | 0,189 | 0,223 |
6,0 | 0,040 | 0,051 | 0,070 | 0,087 | 0,110 | 0,136 | 0,173 | 0,208 |
6,4 | 0,036 | 0,045 | 0,062 | 0,077 | 0,099 | 0,122 | 0,158 | 0,196 |
6,8 | 0,031 | 0,040 | 0,055 | 0,064 | 0,088 | 0,110 | 0,145 | 0,185 |
7,2 | 0,028 | 0,036 | 0,049 | 0,062 | 0,080 | 0,100 | 0,133 | 0,175 |
7,6 | 0,024 | 0,032 | 0,044 | 0,056 | 0,072 | 0,091 | 0,123 | 0,166 |
8,0 | 0,022 | 0,029 | 0,040 | 0,051 | 0,066 | 0,084 | 0,113 | 0,158 |
8,4 | 0,021 | 0,026 | 0,037 | 0,046 | 0,060 | 0,077 | 0,105 | 0,150 |
8,8 | 0,019 | 0,024 | 0,033 | 0,042 | 0,055 | 0,071 | 0,098 | 0,143 |
9,2 | 0,017 | 0,022 | 0,031 | 0,039 | 0,051 | 0,065 | 0,091 | 0,137 |
9,6 | 0,016 | 0,020 | 0,028 | 0,036 | 0,047 | 0,060 | 0,085 | 0,132 |
10,0 | 0,015 | 0,019 | 0,026 | 0,033 | 0,043 | 0,056 | 0,079 | 0,126 |
10,4 | 0,014 | 0,017 | 0,024 | 0,031 | 0,040 | 0,052 | 0,074 | 0,122 |
10,8 | 0,013 | 0,016 | 0,022 | 0,029 | 0,037 | 0,049 | 0,069 | 0,117 |
11,2 | 0,012 | 0,015 | 0,021 | 0,027 | 0,035 | 0,045 | 0,065 | 0,113 |
11,6 | 0,011 | 0,014 | 0,020 | 0,025 | 0,033 | 0,042 | 0,061 | 0,109 |
12,0 | 0,010 | 0,013 | 0,018 | 0,023 | 0,031 | 0,040 | 0,058 | 0,106 |
Примечания: 1. В табл. 1 обозначено: b - ширина или диаметр фундамента, l - длина фундамента.
2. Для фундаментов, имеющих подошву в форме правильного многоугольника с площадью А , значения a принимаются как для круглых фундаментов радиусом
3. Для промежуточных значений x и h коэффициент a определяется по интерполяции.
3. Дополнительные вертикальные напряжения s zp , u на глубине z по вертикали, проходящей через произвольную точку А (в пределах или за пределами рассматриваемого фундамента с дополнительным давлением по подошве, равным р 0), определяются алгебраическим суммированием напряжений s z р, ci в угловых точках четырех фиктивных фундаментов (рис.2) по формуле
. (4)
4. Дополнительные вертикальные напряжения s zg , nf на глубине z по вертикали, проходящей через центр рассчитываемого фундамента, с учетом влияния соседних фундаментов или нагрузок на прилегающие площади определяются по формуле
, (5)
где k - число влияющих фундаментов.
5. Вертикальное напряжение от собственного веса грунта s zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле
, (6)
где g / - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента;
d n - обозначение - см. рис. 1;
g i и h i - соответственно удельный вес и толщина i -го слоя грунта.
Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод, но выше водоупора, должен приниматься с учетом взвешивающего действия воды.
При определении s zg в водоупорном слое следует учитывать давление столба воды, расположенного выше рассматриваемой глубины.
6. Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине z = H c , где выполняется условие s z р = 0,2s zg (здесь s z р - дополнительное вертикальное напряжение на глубине по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяемое в соответствии с указаниями пп. 2 и 4; s zg - вертикальное напряжение от собственного веса грунта, определяемое в соответствии с п. 5).
Если найденная по указанному выше условию нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е < 5 МПа (50 кгс/см 2) или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = H c , нижняя граница сжимаемой толщи определяется исходя из условия s z р = 0,1s zg .
Рис. 2. Схема к определению дополнительных вертикальных напряжений s z р,а в основании рассчитываемого фундамента с учетом влияния соседнего фундамента методом угловых точек
а - схема расположения рассчитываемого 1 и влияющего фундамента 2; б - схема расположения фиктивных фундаментов с указанием знака напряжений s zр, cj в формуле (4) под углом i- го фундамента.
7. Осадка основания с использованием расчетной схемы линейно деформируемого слоя (см. п. 2.40 и рис. 3) определяется по формуле
, (7)
где р - среднее давление под подошвой фундамента (для фундаментов шириной b < 10 м принимается p = p 0 - см. п. 2);
b - ширина прямоугольного или диаметр круглого фундамента;
k c и k m - коэффициенты, принимаемые по табл. 2 и 3;
n - число слоев, различающихся по сжимаемости в пределах расчетной толщи слоя Н , определяемой в соответствии с указаниями п. 8;
k i и k i - 1 - коэффициенты, определяемые по табл. 4 в зависимости от формы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, на которой расположены подошва и кровля i -го слоя соответственно
Е i - модуль деформации i- го слоя грунта.
Примечание. Формула (7) служит для определения средней осадки основания, загруженного равномерно распределенной по ограниченной площади нагрузкой. Эту формулу допускается применять для определения осадки жестких фундаментов.
Таблица 2
Коэффициент k c
Таблица 3
Коэффициент k m
Таблица 4
Коэффициент k
x = 2z /b | Коэффициент k для фундаментов | |||||||
круглых | прямоугольных с соотношением сторон h = l /b , равным | ленточных (h ³ 10) | ||||||
1,0 | 1,4 | 1,8 | 2,4 | 3,2 | ||||
0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | |
0,4 | 0,090 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,104 |
0,8 | 0,179 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,208 |
1,2 | 0,266 | 0,299 | 0,300 | 0,300 | 0,300 | 0,300 | 0,300 | 0,311 |
1,6 | 0,348 | 0,380 | 0,394 | 0,397 | 0,397 | 0,397 | 0,397 | 0,412 |
2,0 | 0,411 | 0,446 | 0,472 | 0,482 | 0,486 | 0,486 | 0,486 | 0,511 |
2,4 | 0,461 | 0,499 | 0,538 | 0,556 | 0,565 | 0,567 | 0,567 | 0,605 |
2,8 | 0,501 | 0,542 | 0,592 | 0,618 | 0,635 | 0,640 | 0,640 | 0,687 |
3,2 | 0,532 | 0,577 | 0,637 | 0,671 | 0,696 | 0,707 | 0,709 | 0,763 |
3,6 | 0,558 | 0,606 | 0,676 | 0,717 | 0,750 | 0,768 | 0,772 | 0,831 |
4,0 | 0,579 | 0,630 | 0,708 | 0,756 | 0,796 | 0,820 | 0,830 | 0,892 |
4,4 | 0,596 | 0,650 | 0,735 | 0,789 | 0,837 | 0,867 | 0,883 | 0,949 |
4,8 | 0,611 | 0,668 | 0,759 | 0,819 | 0,873 | 0,908 | 0,932 | 1,001 |
5,2 | 0,634 | 0,683 | 0,780 | 0,844 | 0,904 | 0,948 | 0,977 | 1,050 |
5,6 | 0,635 | 0,697 | 0,798 | 0,867 | 0,933 | 0,1981 | 1,018 | 1,095 |
6,0 | 0,645 | 0,708 | 0,814 | 0,887 | 0,958 | 1,011 | 1,056 | 1,138 |
6,4 | 0,653 | 0,719 | 0,828 | 0,904 | 0,980 | 1,041 | 1,090 | 1,178 |
6,8 | 0,661 | 0,728 | 0,841 | 0,920 | 1,000 | 1,065 | 1,122 | 1,215 |
7,2 | 0,668 | 0,736 | 0,852 | 0,935 | 1,019 | 1,088 | 1,152 | 1,251 |
7,6 | 0,674 | 0,744 | 0,863 | 0,948 | 1,036 | 1,109 | 1,180 | 1,285 |
8,0 | 0,679 | 0,751 | 0,872 | 0,960 | 1,051 | 1,128 | 1,205 | 1,316 |
8,4 | 0,684 | 0,757 | 0,881 | 0,970 | 1,065 | 1,146 | 1,229 | 1,347 |
8,8 | 0,689 | 0,762 | 0,888 | 0,980 | 1,078 | 1,162 | 1,251 | 1,376 |
9,2 | 0,693 | 0,768 | 0,896 | 0,989 | 1,089 | 1,178 | 1,272 | 1,404 |
9,6 | 0,697 | 0,772 | 0,902 | 0,998 | 1,100 | 1,192 | 1,291 | 1,431 |
10,0 | 0,700 | 0,777 | 0,908 | 1,005 | 1,110 | 1,205 | 1,309 | 1,456 |
11,0 | 0,705 | 0,786 | 0,922 | 1,022 | 1,132 | 1,233 | 1,349 | 1,506 |
12,0 | 0,720 | 0,794 | 0,933 | 1,037 | 1,151 | 1,257 | 1,384 | 1,550 |
Примечание. При промежуточных значениях x и h коэффициент k определяется по интерполяции
8. Толщина линейно-деформируемого слоя Н (рис. 3) в случае, оговоренном в п. 2.40а, принимается до кровли грунта с модулем деформации Е ³ 100 МПа (1000 кгс/см 2), а при ширине (диаметре) фундамента b ³ 10 м и среднем значении модуля деформации грунтов основания Е ³ 10 МПа (100 кгс/см 2), вычисляется по формуле
, (8)
где H 0 и y - принимаются соответственно равными для оснований, сложенных: пылевато-глинистыми грунтами 9 м и 0,15; песчаными грунтами - 6 м и 0,1;
k p - коэффициент, принимаемый равным: k p = 0,8 при среднем давлении под подошвой фундамента р = 100 кПа (1 кгс/см 2); k p = 1,2 при р = 500 кПа (5 кгс/см 2), а при промежуточных значениях - по интерполяции.
Рис. 3. схема к расчету осадок с использованием расчетной схемы основания в виде линейно деформируемого слоя.
Если основание сложено пылевато-глинистыми и песчаными грунтами, значение Н определяется по формуле
, (9)
где Н s - толщина слоя, вычисленная по формуле (8) в предположении, что основание сложено только песчаными грунтами;
H cl - суммарная толщина слоев пылевато-глинистых грунтов в пределах от подошвы фундамента до глубины, равной H cl – значению H , вычисленному по формуле (8) в предположении, что основание сложено только пылевато-глинистыми грунтами.
Значение Н , вычисленное по формулам (8) и (9), должно быть увеличено на толщину слоя грунта с модулем деформации Е < 10 МПа (100 кгс/см 2), если этот слой расположен ниже Н и толщина его не превышает 0,2Н. При большей толщине слоя такого грунта, а также если вышележащие слои имеют модуль деформации Е < 10 МПа (100 кгс/см 2), расчет деформаций основания выполняется по расчетной схеме линейно деформируемого полупространства.
Механические свойства грунтов Прочностные и деформационные свойства ГОСТ 12248 -96 МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ
Определение Механические или деформационные и прочностные свойства грунта характеризуют его поведение под воздействием внешней нагрузки
Сжимаемость- способность грунтов уменьшать объем под действием давления. В дисперсных глинистых грунтах сжимаемость происходит в основном за счет отжима из пористого пространства воды и газов. Сжимаемость песков происходит в результате изменений структуры скелетаперекомпановки частиц. В скальных грунтах- за счет упругой деформации скелета
Характеристики сжимамости К числу характеристик сжимаемости или к деформационным свойствам относят: u Модуль деформации u Коэффициент Пуассона u Коэффициент сжимаемости u Коэффициенты консолидации u Коэффициент переуплотнения
Напряжения представляют собой внутренние силы (давление), возникающие в теле как реакция на воздействия внешней нагрузки.
Полные и эффективные напряжения Напряжения, возникающие в водонасыщенных грунтах, определяются двумя факторами- силами, возникающими на контактах между минеральными частицами (в скелете грунта), и давлением, создаваемым отжимаемой из пор водой. Эффективное напряжение (ГОСТ 12248 -96)напряжение, действующее в скелете грунта, определяемое как разность между полным напряжением в образце грунта и давлением в поровой жидкости. Кажущееся, мнимое, нейтральное и др. напряжение- напряжение, создаваемое давлением отжимаемой воды Полное напряжение- эффективное + кажущееся напряжения
Полные и эффективные напряжения Рассматривая грунт как двух фазную систему, состоящую из скелета - минеральных частиц и поровой воды, введем понятия: u Рz – эффективное давление, давление в скелете грунта (уплотняет и упрочняет грунт). u Рw – нейтральное давление, давление в поровой воде (создает напор в воде, вызывая ее фильтрацию). В любой момент времени в полностью водонасыщенной грунтовой массе имеет место соотношение: Р = Рz + Рw , где Р – полное давление. Эффективное напряжение определяется, при этом, как: Рz = Р - Рw (по Алексееву С. И. , 2007)
Рw- давление, создаваемое водой, отжимаемой из порового пространства грунта при деформации. Это давление вызывает напряжения, именуемые «минимыми» . u С течением времени мнимые напряжения постепенно релаксируются (расслабляются). В песчаных грунтах процесс релаксации протекает быстро (иногда мгновенно), в глинистых- значительно медленнее. u Причиной этой разницы является различие в скорости и характере фильтрации воды под действием нагрузки. u
Консолидация грунта при сжатии В общем случае приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту первоначально возникает сжатие, обусловленное упругими деформациями поровой воды и скелета грунта. Затем начинается процесс фильтрационной консолидации, обусловленный выжиманием воды из пор грунта. u По завершении фильтрационной начинается процесс вторичной консолидации грунта, определяемый медленным смещением частиц относительно друга в условиях незначительного отжатия воды из пор грунта. Первичная консолидация- это фильтрационная консолидация, вторичная консолидацияобусловлена ползучестью. u
Теория фильтрационной конослидации Основное положение теории фильтрационной консолидацииуплотнение дисперсного водонасыщенного грунта происходит за счет отжатия из него воды при сжатии пористого пространства Какие напряжения вызывают консолидацию грунта? Только эффективные, то есть передающиеся на скелет грунта. Нейтральное давление на сжатие грунта не влияет.
Уравнение Павловского- основа теории фильтрационной консолидации u Это уравнение для одномерного случая имеет вид u где q - единичный расход фильтрующейся воды (скорость), м/с; n - пористость грунта; z координата (вдоль оси z происходит фильтрация), м; t - время, с.
Уравнение для одномерной задачи следующее: Для пространственной задачи оно имеет вид u где c. V - коэффициент консолидации; - Рпорпоровое давление
Коэффициент консолидации Сv имеет размерность м 2/с. Он указывает на скорость прохождения процесса консолидации - чем больше коэффициент консолидации, тем быстрее она проходит.
Фильтрация в песках и глинах Фильтрация происходит за счет разности напоров или благодаря наличию фильтрационного градиента.
Начальный градиент В глинистых грунтах свободная вода, течение которой подчиняется силе тяжести отсутствует. Вода в глинистых грунтах содержится в очень мелких, часто закнутых порах и не может фильтроваться сама по себе. Для того, чтобы в глинистом грунте началась фильтрация к нему необходимо приложить некоторое дополнительное давление, создающее определенный градиент, который называется начальным градиентом. Начальный градиент фильтрации (i 0) величина градиента фильтрации в глинистых грунтах, при котором начинается практически ощутимая фильтрация
Закон Дарси: Vпот= Кф * i, Vпот- скороcть потока i- градиент напоров Кф- к-т фильтрации Закон Дарси с учетом начального градиента фильтрации выражается следующим образом: Vпот= Кф * (i-i 0) при i>i 0, Vпот=0 при i
Ползучесть (по ГОСТУ) u Ползучесть - развитие деформаций грунта во времени при неизменном напряжении. u Стадия незатухающей (не установившейся) ползучести процесс деформирования грунта с постоянной или увеличивающейся скоростью при неизменном напряжении
Деформации основания Исакиевского собора (по Дашко и др.) – следствие ползучести http: //georec. narod. ru/mag/2002 n 5/7/7. htm Надежный слабосжимаемый грунт Слабый сильно сжимаемый грунт (ползучий грунт) Надежный слабосжимаемый грунт
Теория упругости. Закон Гука. Упругая деформация сжатия и/или растяжения прямопропорциональна напряжению: ε = Рх/Е, где ε – относительная деформация Рх – напряжение (давление), МПа Е- модуль Юнга, МПа
Физический смысл модуля Юнга Модуль Юнга (Е, Мпа)- отражает пропорцию между относительной линейной деформацией м напряжением. Он определяется составом и свойствами материала (в нашем случае грунтов) и изменяется в зависимости от состава и свойств последних. Не зависит от величины сжимающего напряжения.
Упругие деформации Упругая деформация- относительное изменение размера и формы тела под воздействием внешней нагрузки. После снятия нагрузки форма и размеры восстанавливаются.
Упругие деформации По направленности деформации подразделяются на продольные (относительно направления приложенной нагрузки) и поперечные. Относительная продольная деформация: x= (h 1 -h 2)/h 1 Относительная поперечная деформация: y= (S 2 -S 1)/S 1
Коэффициент Пуассона () Коэффициент Пуассона – отношение относительных линейных деформаций тела в направлении, поперечном действию нагрузки к относительной линейной деформации в продольном направлении: = ε y/ε x
Коэффициент сжимаемости () и модуль объемной деформации (К) упругих тел u Для случая всестороннего равномерного сжатия твердого тела закон Гука принимает вид: где p=(pх+py+pz)/3. Величину р называют средним нормальным напряжением.
Коэффициент сжимаемости (m 0) и модуль объемной деформации (К) упругих тел u Исходя из предыдущего можно найти выражение для коэффициента сжимаемости или обратной ему величины - модуля объемной деформации К упругой среды: Не зависит от величины сжимающего напряжения.
Компрессионные испытания u 5. 4. 1. 1 Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости mo, модуля деформации E, к-та консолидации. . . u 5. 4. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах)…, исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой.
Деформации При сжатии в компрессионном приборе происходит уменьшение объема и (в первую очередь) уменьшение объема пористого пространства (и, следовательно, кта пористости). Это позволяет выразить объемную деформацию через изменения значений к-та пористости е.
Деформация грунтов Грунт не является идеально-упругим телом. В глинистых грунтах, наряду с упругими, проявляются и пластичные деформации, что нарушает линейный характер зависимости между напряжением и деформацией.
Компрессионная кривая- гиперболический график зависимости нагрузок и коэффициента пористости е Коэффициент пористости (функция объема- деформации) е 0 i ступень нагрузки e 1 e 2 i+1 ступень нагрузки Прямолинейный отрезок Р, МПа Рs P 1 P 2 вертикальное давление е 0 - первоначальное природное значение к-та пористости, Рsминимальное давление, при котором начинается заметная деформация
Коэффициент поперечной деформации β-коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе β=1 - (2 2/(1 -)) Коэффициент (коэффициент Пуассона) определяется по данным трехосных испытаний. Если эти данные отсутствуют, его значения принимается равными: - Для песков и супесей: 0. 30 -0. 35 - Для твердых суглинков и глин: 0. 2 -0. 3 - Для полутвердых суглинков и глин: 0. 30 -0. 38 - Для туго-текучепластичных суглинков и глин: 0. 38 -0. 45
Модуль деформации (Е, МПа) - коэффициент пропорциональности линейной связи между приращениями давления на образец и его объемной деформацией. По своей природе он аналогичен модулю объемной деформации (К) в законе Гука, но зависит от величины сжимающего напряжения. При определении Е объемная деформация V приблизительно соответствует изменениям коэффициента пористости е на соответствующих ступенях деформации: V е
Относительная сжимаемость на i-той ступени Коэффициент относительной сжимаемости (относительной вертикальной деформации) на i-той ступени нагрузки определяется как отношение величины высоты, на которую изменился образец от данной нагрузки к изначальной высоте сжимаемого образца: εi = Δhi/h
Расчет коэффициента пористости на i-ой ступени нагрузки К-т пористости на i-ой ступени нагрузки вычисляется как: е 0 - начальный (исходный) к-т пористости еi- к-т пористости на i-той ступени нагрузки i- относительная сжимаемость при i-той ступени нагрузки
Расчет модуля деформации В соответствии с ГОСТ 12248 -96 модуль общей деформации Е вычисляется по формулам: Еi-(i+1)= ((Рi – Pi+1)/(еi – еi+1))*β Или Еi-(i+1)= ((1+ео)/mo)*β ео- коэффициент пористости природного грунта е- значения к-та пористости на I и i+1 ступенях нагрузки mo- к-т сжимаемости β - к-т бокового расширения
Нагрузки и сжимаемость Нагрузки или удельное давление от многих типов сооружений (блочные пятиэтажки, земляные насыпи высотой около 10 м и др.) находятся в диапазоне от 200 до 300 KПа. Исходя из этого грунты по показателю сжимаемости в диапазоне давлений 200300 KПа могут классифицироваться на: u mo mo >1/10 МПа- среднесжимаемые u mo >1/10 МПа- слабосжимаемые
Коэффициент консолидации u. Kоэффициент фильтрационной с. V и вторичной с консолидации - показатели, характеризующие скорость деформации грунта при постоянном давлении за счет фильтрации воды (с. V) и ползучести грунта с
Коэффициент консолидации Коэффициенты консолидации используются для оценки скорости развития осадки. Сv- см 2/мин, час, год С - см 2/мин, час, год Эти к-ты определяются графоаналитическим методом по компрессионной кривой (Приложение Н, ГОСТ 12248 -96) или по специальным испытаниям в комрпессионном приборе.
Бытовое давление Бытовое (литостатическое или природное или горное или пр.) давление (Рб) определяется как: Рб= *H H- глубина, м - удельный вес (МН/м 3)
Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды (для водонасыщенных грунтов) определяется по формуле u = (s - w)/ (1 + e), где: u s – удельный вес частиц грунта вычисляется: u s = s * g где: u s – плотность частиц грунта т/м 3 u g – ускорение свободного падения = 9, 81 м/с2 u w – удельный вес воды = 0, 01 МН/м 3 u e – коэффициент пористости (безразмерная) u
Эпюра вертикальных напряжений Массивы грунтов в условиях естественного залегания находятся в напряженном состоянии, обусловленном давлением от слоев грунта. В условиях, когда отсутствует возможность бокового выпирания вертикальное напряжение возрастает с глубиной: бz= ∑ gi * i *hi, i- количество слоев, gускорение силы тяжести, i- удельный вес i-го слоя, hi- глубина кровли (подошвы) i-го слоя.
Определения ГОСТ 30416 -96 Стабилизированное состояние грунта, характеризуемое окончанием деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и отсутствием избыточного давления в поровой жидкости. u Нестабилизированное состояние грунта, характеризуемое незавершенностью деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и наличием избыточного давления в поровой жидкости. u
Переуплотненные и недоуплотненные грунты Грунты, сжимаемость которых ниже, чем ожидаемая при данном бытовом давлении, называются переуплотненными. Переуплотнение является следствием сжатия грунтов в глубине толщи и последующим их выходом к поверхности в результате размыва вышележащих отложений, результатом сжатия под давлением древних ледников и т. п. Характеризуются низкой сжимаемостью, иногда набухают. В целом являются надежными основаниями.
Грунты, сжимаемость которых выше, чем ожидаемая при данном бытовом давлении, называются недоуплотненными. Они образуются в результате весьма быстрого накопления (лавинная седиментация) и др. причин. Типичные недоуплотненные грунты это лессы, а также морские и аллювиально-морские илы, сапропели, торф. Характеризуются наличием избыточного порового давления, превышающего гидростатическое; высокой сжимаемостью; неустойчивостью при динамической нагрузке, в целом являются весьма ненадежными основаниями.
Переуплотнение и недоуплотнение I- интервал нагрузок, не превышающих бытового давления II- интервал нагрузок, превышающих бытовое давление е Рs- максимальное бытовое давление, имевшее место за геологическую историю (давление предуплотнения) Для переуплотненных грунтов: Рs>Pб Для недоуплотненных: Рs
К-т переуплотнения Для оценки уплотненности грунта используется к-т переуплотнения КПУ. По значениям КПУ грунты можно классифицировать: u недоуплотненные КПУ 4.
К-т переуплотнения КПУ вычисляется как: КПУ= Ps/Pб, где: u Ps- давление предуплотнения, МПа u Pб- современное бытовое давление, МПа
К-т переуплотнения Недоуплотненные грунты склонны к просадке под действием собственного веса. При этом они отличаются низкой прочностью, высокой сжимаемостью и неустойчивостью при динамических нагрузках. В целом являются ненадежными основаниями. u Переуплотненные грунты имеют высокую прочность, низкую сжимаемость, могут набухать. При КПУ>6 к-т бокового давления грунта может превышать 2, что необходимо учитывать при проектировании подземных сооружений. В целом являются надежными основаниями. u
Прочностные свойства Прочность грунтов при сдвиге обусловлена сцеплением (наличием структурных связей) и трением между частицами. Структурные связи- связи между структурными элементами (частицами, агрегатами кристаллами и др.), из которых состоят грунты
Характеристики прочностных свойств С- сцепление (удельное сцепление), МПа φ -угол внутреннего трения, градусы τ - сопротивление грунта срезу, МПа R- сопротивление одноосному сжатию Su- сопротивление недренированному сдвигу, МПа
Структурные связи по степени прочности Механические- трение между частицами (в песках, крупнообломочных и глинистых грунтах) Водно-коллоидные или коагуляционные (по сути - слипание частиц)- обусловлены электромагнитными (вандервальсовскими- Ван дер Вальс) силами междумолекулярного притяжения (глинистые дисперсные грунты) Цементационные- возникают за счет заполнения пористого пространства минеральной массой, цементирующей частицы (полускальные породы) Кристаллизационные- внутри кристаллов и между кристаллами (скальные магматические и метаморфические породы)
Прочность и разрушение Прочность грунтов определяется в основном структурными связями между отдельными частицами (кристаллами или зернами) и/или агрегатами частиц и кристаллическими сростками. Прочность самих элементарных кристаллов, частиц или минеральных агрегатов имеет вторичное значение. Разрушение грунта наступает, когда, по достижении некоторых предельных напряжений, нарушаются структурные связи и происходит необратимое перемещение частиц относительно друга.
Давление Р от веса надземной части сооружения и собственного веса фундамента рассеивается в массиве грунта. Равнодействующую R раскладываем на две составляющие и, сжимают частицы грунта друг к другу и разрушить их практически не могут (частицы грунта – кварц, полевой шпат и т. д.) разруш 2000 кгc/см 2 200 Мпа – таких напряжений под фундаментом практически не возникает.
u Значит разрушение грунта происходит от действия касательных напряжений (). Под действиями этих напряженний частицы грунта смещаются относительно своих контактов, зерна попадают в поровое пространство, происходит процесс уплотнения грунта с возникновением в некоторых областях поверхностей скольжения
Теория Кулона-Мора Согласно этой теории прочность грунта определяется соотношением между нормальными и касательными напряжениями: = σ * tgφ+ С, где - -касательное напряжение - σ- Нормальное напряжение - С- сцепление - φ- угол внутреннего трения
Физический и геометрический смысл C и φ Геометрический смысл (по ГОСТ 30416 -96): u Угол внутреннего трения - параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как угол наклона этой прямой к оси абсцисс. u Удельное сцепление грунта - параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат. Физический смысл: u Удельное сцепление- сила или прочность структурных связей u Угол внутреннего трения- силы трения между частицами Можно выделить две составляющие сцепления: 1 - прочность структурных связей (Cc) 2 - прочность за счет трения (ΣW)- механические связи
Прочность глинистых грунтов τ В связанных глинистых грунтах, содержащих песчаные частицы, c цементационными или водно-коллоидными связями прочность определяется как сцеплением, так углом внутреннего трения φ τ = σ * tg φ + C С σ 0
Прочность глинистых грунтов τ В связанных глинистых грунтах, не содержащих песчаных частиц, c цементационными или водно-коллоидными связями прочность определяется как сцеплением τ= C С σ 0
Прочность песчаных грунтов τ В несвязанных песчаных грунтах прочность в основном определяется углом внутреннего трения, а значения С относи- тельно малы τ = σ * tg φ φ σ
Определение прочностных характеристик методом одноплоскостного среза u u 5. 1. 1. 1 Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивление грунта срезу τ, угла внутреннего трения φ, удельного сцепления С, для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов. 5. 1. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза
Сдвиговой прибор u Прибор одноплоскостного сдвига состоит из двух колец (нижнего и верхнего). Нижнее кольцо закрепляется в сдвиговой коробке неподвижно. Верхнее может перемещаться относительно нижнего.
НН, КН и КД (по ГОСТ 30416 -96) Консолидированно-дренированное испытание грунта для определения характеристик прочности и деформируемости с предварительным уплотнением образца (в одометре) и отжатием из него воды в процессе всего испытания. Консолидированно-недренированное испытание грунта для определения характеристик прочности с предварительным уплотнением образца и отжатием из него воды только в процессе уплотнения. Неконсолидированно-недренированное испытание грунта для определения характеристик прочности без предварительного уплотнения образца при отсутствии отжатия из него воды в процессе всего испытания.
Сопротивление срезу Сопротивление грунта срезу характеристика прочности грунта, определяемая значением касательного напряжения, при котором происходит разрушение (срез). u Сопротивление грунта срезу (τ, МПа) определяется как величина касательной нагрузки Q, отнесенная к площади среза А образца при заданной величине нормальной нагрузки F. u τ = Q/A, МПа
Почему нужны минимум три точки? τ - сопротивление грунта срезу, МПа Третья точка играет корректирующую роль
Схемы сдвиговых испытаний неконсолидированно-недренированное испытание – для водонасыщенных глинистых и песчаных грунтов- испытание без предварительного уплотнения и без отжима воды; u консолидированно-недренированное испытание – для нестабилизированных глинистых грунтов- испытание с предварительным уплотнением (в одометре) под давлением, эквивалентном бытовому давлению + давлению от сооружения и без отжима воды; u консолидированно-дренированное испытание – для стабилизированных глинистых грунтов и песков- испытание с предварительным уплотнением и с отжимом воды u
Метод одноосного сжатия 5. 2. 1. 1 Испытание грунта методом одноосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности: предела прочности на одноосное сжатие (R) для скальных полускальных грунтов; сопротивления недренированному сдвигу для водонасыщенных глинистых грунтов (Su). 5. 2. 1. 2 Предел прочности на одноосное сжатие определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.
Трехосное сжатие (наиболее передовой метод) 5. 3. 1. 1 Испытание грунта методом трехосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности и деформируемости: угла внутреннего трения φ, удельного сцепления С, сопротивления недренированному сдвигу Su, модуля деформации Е и коэффициента поперечной деформации v для песков, глинистых, органоминеральных и органических грунтов. 5. 3. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения…
Особенности метода При испытаниях цилиндрический образец грунта помещают в резиновую оболочку Давление на образец создается рабочим поршнем (вертикальная нагрузка F) и всесторонним давлением воды В отличии от компрессионного сжатия, сдвига и одноосного сжатия измеряется не только вертикальная и продольная (при сдвиге) деформации, но и объемная деформация (за счет измерения объема и давления воды в камере)
Трехосные испытания грунтов циклическими нагрузками Цель данного метода- оценка прочностных свойств при динамических нагрузках (землетрясения, волнение моря, вибрация сооружения и т. д.) При этом методе образец грунта подвергается воздействию чередующихся нагрузок сжатия и растяжения. Циклы сжатия и растяжения чередуются с периодом и частотой, соответствующими ожидаемому динамическому воздействию. Методики испытаний не гостированы.
6. Прочность и деформируемость мерзлых грунтов Определяются следующими методами: Испытания шариковым штампом u Одноплоскостным срезом по поверхности смерзания u Одноосным сжатием u Все испытания проводятся при отрицательной внешней температуре, которая, в идеале, должна соответствовать природной температуре мерзлого грунта
Что делать если деформационные и прочностные свойства грунтов не определены и имеются лишь значения физических свойств? 1. 2. Прочностные и деформационные свойства принимаются по материалам, полученным в сопредельных районах. Для предварительных расчетов оснований… допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам из Приложения 1 СНи. П 2. 01 -83. Основания и фундаменты.
Нормативные значения удельного сцепления сn, к. Па (кгс/см 2), угла внутреннего трения n, град. , пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений
Нормативные значения удельного сцепления сn, к. Па (кгс/см 2), угла внутреннего трения n, град. и модуля деформации Е, МПа (кгс/см 2), песчаных грунтов четвертичных отложений
План лекции:
1. Природа прочности грунтов.
2. Определение прочности грунтов:
– на одноосном сжатии;
– на одноосном растяжении;
– сцепления и угол внутреннего трения упрощенными методами.
3. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным стабилометрических испытаний.
4. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным сдвиговых испытаний.
Прочностные свойства грунтов характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта. Потеря прочности материала осуществляется, как правило, путем его разрыва и (или) сдвига.
1. Природа прочности грунтов
Теория Гриффитса дает внутренний механизм и математическую модель разрушения, основанную на физических параметрах. Эта теория предполагает, что в любом материале содержатся дефекты, и при нагружении тела вокруг дефектов возникает концентрация напряжений, которая вызывает рост и распространение трещин; этот процесс в конечном итоге приводит к формированию магистральной трещины разрыва, т. е. к макроскопическому разрушению грунтов.
Рисунок 8.1 – Механизм формирования прочности по Гриффитсу
Расчет энергии формирования трещин достаточно сложный, поэтому эта теория не нашла своего широкого применения на практике.
Макклинтон и Уолш предложили, что при сжатии трещины Гриффитса закрываются и на их поверхности возникают силы трения.
Предложен механизм разрушения материалов, связывающий теории Гриффитса и Уолша – при нагружении грунта до его разрушения в нем протекают процессы образования роста и группирования трещин разрыва (по Гриффитсу), среза и дробления материала в зоне магистрального разрыва (по Уолшу). Это влечет за собой изменения структуры и фазового состояния грунта в зоне магистрального разрыва, отсюда и изменение его (материала) свойств.
Так же, как и теория Гриффитса, данная теория широко не используется изза сложности расчетов формирования трещин.
Рисунок 8.2 – Механизм формирования прочности по Гриффитсу и Уолшу
В практике наиболее широкое распространение получила теория Кулона – Мора .
Теория Кулона наибольших касательных напряжений. Согласно этой теории предел прочности породы при сложном напряженном состоянии должен наступать тогда, когда наибольшее касательное напряжение (σ пр. ) достигнет того значения, при котором наступает предел прочности образца при простом сжатии (σ сж. ) или растяжении (σ р. ).
где σ сж.
σ пр.
τ пр. ≤ σ сж. (σ р.)
– прочность на одноосном сжатии;
– прочность на одноосном растяжении.
σ н.
Рисунок 8.3 – Механизм формирования прочности по Кулону
Предельное напряжение состояния грунта – критерий прочности Кулона – описывается следующим уравнением:
τ пр =σ tgϕ +c
где ϕ – угол внутреннего трения, град; с – сцепление, МПа; σ – нормальное напряжение, МПа;
τ пр. – сдвигающие напряжения, МПа.
Недостатком этой теории является то, что на практике предельные сдвигающие напряжения не всегда ниже прочности на сжатие. Но в целом теория Кулона удовлетворяет практику.
cos 2 α
Следует отметить, что наибольшие касательные напряжения формируются на площадке наклонной под углом около 45° к поверхности горизонтального сечения. Рассмотрим данное утверждение на примере (рисунок 8.4).
Р н. F ′
α Р с
Рисунок 8.4 – Действие нормальной (Рн. ) и касательной (Рс. ) составляющей силы Р на произвольно выбранном сечении
На рисунке видно, что если на поверхность горизонтального сечения (α = 0) площадью F действует распределенная нагрузка Р, то нормальные напряжения σ н. равны:
σ н . = σ 1 = F P
Площадь сечения под углом α >0 равна:
F ′ = cos F α
Составляющие силы Р, ориентированные нормально (Рн. ) и касательно (Рс. ) к этому сечению равны:
Рн. =Р сos α , Pc. =P sin α
Тогда нормальные (σ н. ) и касательные (τ ) напряжения будут равны:
Pн . |
P cosα cosα |
(1+ cos 2α ) |
|||||||||||||||||
τ = |
Pc . |
P sinα cosα |
sin 2α |
||||||||||||||||
Отсюда, при α = 0, σ н.
При α = 45° sin 2 α = 1,
мальные значения и равны:
достигает максимального значения, т. е. σ н . = σ с .
тогда сдвигающие напряжения принимают макси-
τ max . = σ 2 1
Таким образом, в объеме горной породы в наиболее неблагоприятном состоянии находятся сечения, по отношению к которым действующее усилие направлено по нормали или под углом, близким к 45°, т. е. сечения, в которых действуют максимальные нормальное и касательное напряжения. Вот почему наибольшая деформация пород при сжатии наблюдается в направлении действия усилия, а трещины скола возникают вдоль сечений, образующих с направлением
действующего усилия угол, близкий к 45°, т. е. близкий к углу θ max.
Теория Мора – теория предельного напряженного состояния.
В грунтовом массиве на любую точку воздействуют три главных и шесть касательных напряжений (рисунок 8.5), при этом σ 1 > σ 2 > σ 3 .
σ 3 σ2
Рисунок 8.5 – Распределение главных нормальных напряжений в любой точке грунтового массива
Согласно теории Мора, два главных нормальных напряжения σ 1 и σ 3 определяют прочность грунтов, σ 2 – влияние на прочность не оказывает.
Условие прочности по теории Мора запишется следующим образом:
σ 1 − [ σ [ σ сж р . . ] ] σ 3 ≤ [ σ сж . ]
где σ сж. – прочность на одноосное сжатие; σ р. – прочность на одноосное растяжение.
Графические условия прочности могут быть отражены в виде диаграмм Мора (рисунок 8.6).
(σ н.) min.= σ 3 |
||
(σ н.) max.= σ 1 |
||
Рисунок 8.6 – Диаграмма Мора, показывающая напряжения, вызываемые действием сил по трем сечениям, проходящим через оси σ 1 , σ 2 , σ 3
Диаграмма показывает, что каждая точка на поверхности круга характеризует нормальные (σ н. ) и касательные напряжения (τ ) строго определенной площадки в теле грунта, и эти напряжения можно рассчитать.
Так, например, для того, чтобы определить напряжения σ н. и τ , действующие по какой-либо площадке А-В , наклонной под углом α к плоскости I-I главных напряжений, по оси абсцисс откладывают значения главных напряжений σ 1 и σ 3 и на их разности, как на диаметре, строят круг («круг напряжений», или «круг Мора»), центр которого С лежит на середине расстояния между точками A-D . При точке С , отложив угол 2α , получим точку В , координаты которой ОК и ВК соответственно равны σ н. и τ .
Из рисунка 8.7 следует:
BC = DC = AC = |
OD − OA |
σ 1 − σ 3 |
||||
Рисунок 8.7 – Определение нормальных и касательных напряжений, действующих в данной точке произвольной площадки,
с помощью диаграммы Мора
Из прямоугольного треугольника ВКС имеем:
τ = BK = BC sin 2α = σ 1 − 2 σ 3 sin 2α
σ н . = OK = OA + AC + CK = σ 3 |
σ 1 − σ 3 |
σ 1 − σ 3 |
cos 2α |
||
σ н . = σ 1 cos2 α + σ 3 sin 2 α
Таким образом, зная главные нормальные напряжения, можно для любой площадки в теле грунта рассчитать действующие на ней нормальные (σ н. ) и касательные (τ ) напряжения.
Для определения прочности грунта строят по частным значениям σ 1 и σ 3 круги напряжений, которые отражают предельные равновесия при конкретных σ 1 и σ 3 . Эти круги называют предельными (рисунок 8.8).
Рисунок 8.8 – Диаграмма Мора для предельного состояния породы
На каждом из предельных кругов напряжений (рисунок 8.8) ординаты точек В, В’ и В’’ равны предельным касательным напряжениям в момент, непосредственно предшествующий разрушению породы при соответствующих сжимающих нормальных напряжениях К, К ′ , К ′′ . Если к предельным кругам напряжений провести касательную (огибающую), то она образует с осью абсцисс угол ϕ = θ max . , а
на оси ординат отсечет отрезок С . В соответствии с условием предельного равновесия точки В, В ′ и В ′′ должны находиться на этой касательной, уравнение которой имеет вид:
τ = σн . tg ϕ + C
Величины ϕ и С в этом уравнении являются параметрами прочности грунтов; С характеризует наличие и прочность структурных связей, т. е. действие сил сцепления, или просто сцепление, в мегапаскалях, а ϕ – интенсивность роста сопротивления сдвигу (скалыванию) породы с увеличением нормальной нагрузки, т. е. ее внутреннее трение. Угол ϕ условно называют углом внутреннего трения, а tg ϕ – коэффициент внутреннего трения.
Из рисунка 8.8 также видно, что направление АВ определяет направление площадки, по которой в данной точке при предельном состоянии может произойти скалывание (сдвиг) породы, ее разрушение. Эта площадка скалывания (скольжения) образует угол α с направлением площадки, по которой действует большое главное напряжение. Так как угол 2α = 90°ϕ , то α = 45°+ϕ /2, следовательно, в условиях предельного напряженного состояния «площадка скалывания» будет на-
клонена под углом 45°+ϕ /2 к направлению площадки наибольшего главного напряжения. В каждой точке предельно напряженной породы таких площадок может быть две. Сопряженные площадки расположены под углом 45°±ϕ /2.
Таким образом, круги предельных напряжений Мора и огибающая кругов Мора, выраженная уравнением Кулона, собственно и есть теория прочности грун-
тов Кулона – Мора.
2. Определения прочности грунтов
В практике прочность грунтов принято оценивать следующими показателями: прочностью на одноосное сжатие и растяжение, сцепление и угол внутреннего трения.
а) Прочность грунтов на одноосное сжатие относится к прочностным свойствам грунтов. Прочность грунтов часто определяют путем их раздавливания в условиях свободного бокового расширения. Разрушающая сила при этом действует только в одном направлении, поэтому такое испытание называют одноосным сжатием, т. е. выполняется условие предельного состояния грунтов (рисунок 8.9)
σ 1 > σ 2 = σ 3 = 0.
σ1
σ 2 =σ 3 =0 |
σ 2 =σ 3 =0 |
Рисунок 8.9 – Схема условия работы грунта при одноосном сжатии
Расчет сопротивления сжатию производится на основе предположения об однородном напряженном состоянии образца грунта по формуле:
σ сж = Р F разд
где Р разд – усилие раздавливания;
F – площадь поперечного сечения образца, м2 .
Следует отметить, что испытание на сжатие необходимо проводить при соотношении высоты образца к диаметру h/d ≥ 2. Это обусловлено тем, что при нагружении грунта в нем возникают зоны уплотнения (а) рисунка 8.10. Поэтому при h/d ≤ 2 эти зоны вступают во взаимодействие, отсюда возникает дополнительная прочность грунта, т. е. получаем завышенные значения σ сж. .
45° +ϕ /2
а α
Рисунок 8.10 – Зоны уплотнения
Графически прочность на сжатие можно выразить посредством круга Мора
(рисунок 8.11).
σ
σ 3=0 σ 1= σ сж.
Рисунок 8.11 – Прочность на сжатие
Прочность на одноосное сжатие представляет до известной степени условную характеристику прочности грунта, зависящую от многих факторов. Тем не менее, определение σ сж в инженерно-геологической практике широко распространено, так как позволяет приближенно оценить несущую способность фундамента на скальных грунтах, определить сцепление и угол внутреннего трения породы и оценить ее прочность как строительного материала.
б) Прочность грунтов одноосному растяжению
Прочность пород на разрыв является одной из важнейших характеристик породы, она может быть широко использована как для сравнительной оценки прочностных свойств пород, так и для расчета величины угла внутреннего трения и коэффициента сцепления. Оно так же как одноосное сжатие моделирует работу грунта при условии σ 1 > σ 2 = σ 3 = 0.
Прочностьпородынаодноосноерастяжение(σ рас , МПа) вычисляютпоформуле:
σ рас . = Р F разд. .
где Pразд. – максимальное значение растягивающего давления; F – площадь поперечного сечения образца.
Графически прочность на растяжение выражается через круг напряжений Мора в следующем виде (рисунок 8.12).
σ р.
Рисунок 8.12 – Прочность на растяжение
Экспериментальные данные по прочности на сжатие и растяжение. В таблице приведены данные по σ сж и σ рас.
Таблица 8.1 – Прочность на разрыв σ р и одноосное сжатие σ сж некоторых пород
Горная порода |
σ сж , кГ/см2 |
σ р , кГ/см2 |
|
Кварциты |
|||
Известняки |
|||
Песчаники |
|||
Глинистые сланцы |
|||
Каменная соль |
|||
Из таблицы видно, что прочность на растяжении на порядок меньше прочности на сжатии. Это обусловлено тем, что τ р оценивает только прочность структурных связей, а в прочности на сжатие, кроме прочности структурных связей, участвуют уже и сдвигающие силы.
в) Сцепление и угол внутреннего трения
Сцепление и угол внутреннего трения грунтов являются основными показателями, характеризующими грунт в различном напряженном состоянии. Известно достаточно много способов определения с и ϕ . Из них наиболее широкое применение нашли следующие методы:
– по данным прочности на одноосное сжатие и растяжение;
– по данным объемного сжатия (стабилометрии);
– по данным сдвиговых испытаний.
Определение сцепления и угла внутреннего трения грунтов по данным прочности на одноосное сжатие и растяжение
Для определения с и ϕ проводят испытание грунтов на одноосное сжатие и растяжение (таблица 8.1). Строят паспорта прочности грунтов (огибающую предельных кругов напряжения Мора). Определяют угол внутреннего трения (ϕ ) и сцепления (с ).
σ р. σ сж.
Рисунок 8.13 – Схема построения паспорта прочности грунтов
Результаты, полученные данным методом, являются достаточно условными, но ими можно пользоваться как оценочными.
Ускоренные методы определения прочностных свойств грунтов:
1. Способ определения сопротивления сдвигу образцов горных пород, разработанный автором, заключается в следующем. Первоначально изготавливают цилиндрические образцы из блоков песчаника, гипса, каменной соли и другой исследуемой породы. Затем образцы распиливают для образования трещины, и рабочие поверхности трещины обрабатывают до образования неровностей высотой 0,03–0,5 мм. После чего образец с трещиной нагружают ступенчато возрастающими сжимающими усилиями, вызывающими в образце сжимающие напряжения σ. При этом σ не должна превышать 0,6 среднего значения прочности материала образца на сжатие σсж . После чего производят многократные сдвиги разделенных трещиной частей образца на каждой из ступеней нагружения и измеряют угол трения φ материала образца. Сжимающие напряжения σ ≤ 0,6 σср не вызывают в материале образца микроразрушений и пластических деформаций, что позволяет использовать образец для последующих испытаний, а высота неровностей в указанных переделах обеспечивает точный замер истинных углов трения φ. Если высота неровностей выходит за указанные пределы (0,03–0,5 мм) для перечисленных материалов, то это приводит к резкому увеличению угла трения φ, т. е. замеру не угла трения материала, а угла трения шероховатых поверхностей, и к увеличению ошибки при измерении. После определения угла трения φ материала образец нагружают сжимающими усилиями до его разрушения и определяют прочность на сжатие σсж материала испытуемого образца.
По полученным данным рассчитывают параметр с :
с = σ сж / 2 tg (45° – φ 2 )
и сопротивление сдвигу по формуле
τ = σ tg φ + с .
С помощью предложенного способа можно рассчитать сопротивление сдвигу горных пород, особенно скальных и полускальных, по достаточно легко определяемым показателям прочности на сжатие и углу трения пород.
2. Метод определения прочности на разрыв путем раздавливания цилиндрических образцов по образующей. Цилиндрический образец высотой, равной диаметру, помещается между плитами пресса так, чтобы сжимающие усилия были направлены параллельно боковым поверхностям цилиндра. Торцовые поверх-
ности цилиндра должны быть гладкими и плотно соприкасаться с плитами пресса. Расчет ведут по формуле
σ раз = F Р
где σраз – прочность на разрыв, МПа;
F – площадь образца по поверхности раскола, м2 .
Разброс получаемых значений прочности пород на разрыв, как правило, значительно ниже, чем при испытании любым другим способом (коэффициент вариации для отдельных проб обычно не превышает 6–10 %).
3. Метод соосных пуансонов разработан во ВНИМИ для определения прочности пород на разрыв и сжатие. Он основан на разрушении дисков пород, имеющих диаметр 30–120 мм и высоту 8–11 мм.
Определение сцепления и угла внутреннего трения грунтов по данным прочности на одноосном сжатии и трение
Для определения С и ϕ проводит испытание грунтов на одноосное сжатие (σ сж. ), затем определяют трение по подготовленной поверхности сдвига (ϕ ) и по этим данным строят паспорт прочности грунта (рисунок 8.14).
σ сж. |
||
Рисунок 8.14 – Схема построения паспорта прочности грунтов по σ сж. и ϕ
После чего определяют С – сцепление. Данный метод является оценочным.
3. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным стабилометрических испытаний
Под стабилометрическими испытаниями понимается исследование грунтов
в объемном напряженном состоянии по схеме (рисунок 8.15):
σ 1 > σ 2 = σ 3
σ 2 =σ 3 >0 |
σ 2 =σ 3 >0 |
|
Рисунок 8.15 – Схема испытаний грунтов в условиях трехосного сжатия
Известно, что в основании сооружения грунт находится в объемном напряженном состоянии. Поэтому получение прочностных характеристик в условиях объемного сжатия наиболее точно моделируют условия работы грунта.
Испытания грунтов проводятся в приборах, которые называются стабилометры. Конструкции стабилометра приведена на рисунке 8.16.
Подвижный поршень |
|||||
Образец грунта
Р2 = σ 2 |
Штуцер, через который подается давление масла
Рисунок 8.16 – Схема стабилометра
Методика
Общая схема испытаний следующая:
– образец в водонепроницаемой оболочке помещают между двумя поршнями в камеру (стабилометр);
– камеру наполняют жидкостью (например, маслом);
– задают фиксированное боковое давление на образец – σ 2 ;
– вертикальное давление (σ 1 ) передается на образец грунта через поршень до полного разрушения грунта;
– проводят три-четыре цикла таких испытаний;
– проводят обработку данных.
Например: испытываем грунт песчаник.
Задаются три фиксированные ступени боковых давлений σ 3 = 5, σ 3 ′ = 10 и σ 3 ″ = 15 МПа. Определяются соответственно σ 1 , σ 1 ′ , σ 1 ″ (таблица 8.2).
Таблица 8.2
№ испытания |
σ 2 , МПа |
σ 1 , МПа |
Обработка результатов испытаний
Обработка результатов в общем случае сводится к построению кругов Мора и предельной огибающей к ним.
Для построения кругов Мора на оси абсцисс откладывают максимальное и минимальное главные напряжения σ 1 и σ 3 (таблица 8.2) и на их разности, как на диаметре, описывают окружности (рисунок 8.17). По трем кругам Мора строят огибающую (см. рисунок 8.17). Определение сцепления и угла внутреннего трения пород, находящихся в заданных (моделируемых) условиях, производится графически или расчетным путем (см. рисунок 8.17).
τ , МПа
σ , МПа |
Рисунок 8.17 – Огибающая предельных кругов напряжений Мора по данным испытаний
В практике огибающую предельных кругов напряжений Мора называют паспортом прочности грунта.
В том случае, если для исследуемого грунта ещё определены и прочности на одноосное сжатие (σ сж. ) и растяжения (σ р. ), то строится полный паспорт прочности грунтов (рисунок 8.18).
τ ,МПа |
|||||||||||||
σр |
σ2 " |
σ1 " |
σ ,МПа |
||||||||||
Рисунок 8.18 – Общий случай огибающей предельных напряжений кругов Мора:
1 – одноосное растяжение σ р. ;
2 – одноосное сжатие σ сж. ;
3 – объемное (трехосное) сжатие;
σ 1 > σ 2 = σ 3 ≠ 0;
ϕ – угол внутреннего трения, град;
С – сцепление, кг/см2.
Следует отметить , что с увеличением σ н. угол внутреннего трения уменьшается. Поэтому при оценке с и ϕ необходимо учитывать работу грунта в конкретных условиях.
Приведенные схемы испытаний не исчерпывают всего многообразия условий работы породы, поэтому конструктивно приборы трехосного сжатия выполнены так, что позволяют также моделировать различные частные случаи поведения грунта, встречающиеся в практике. Во ВНИМИ разработаны стабилометры, позволяющие создавать боковое и осевое давление соответственно от 15–40 до 50–250 МПа и более. Испытания грунтов в стабилометрах рекомендуется проводить при оценке и прогнозе устойчивости наиболее ответственных инженерных сооружений.
4. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным сдвиговых испытаний
Сдвигом называется процесс разрушения грунта вследствие скольжения одной его части относительно другой по заданной поверхности, т. е. при ис-
пытаниях грунтов сдвигу моделируются условия фиксированной поверхности разрушения (рисунок 8.19).
Поверхность сдвига, σ н. формирующаяся в процессе
нагружения грунта
σ τ
Фиксированная поверхность (сдвига) разрушения
Рисунок 8.19 – Схема сдвиговых испытаний грунтов:
А) в естественных условиях; Б) фиксированная поверхность сдвига (разрушения)
Зависимость τ = f (σ) называют паспортом грунта, иногда ее называют пре-
дельной огибающей Мора (рисунок 8.20).
τ , МПа
0,05 0,1 0,15 0,20 |
σ , МПа |
Рисунок 8.20 – Паспорт прочности
В диапазоне давления 1÷ 20 МПа сопротивление грунтов сдвигу может быть выражено уравнением Кулона:
τ = σ tg ϕ + c
где c и φ являются параметрами данного грунта.
Сопротивление сдвигу характеризуется также величиной так называемого угла сдвига ψ ; tg ψ называется коэффициентом сдвига , численно tg ψ = σ τ .
В лабораторных условиях сопротивление сдвигу грунтов определяется методами одноплоскостного среза для дисперсных грунтов и среза со сжатием для скальных грунтов.
Одноплоскостной срез
Для определения сопротивления сдвигу методом одноплоскостного среза чаще всего используют прибор Маслова – Лурье в модернизации Гидропроекта – ГГП-30 (рисунок 8.21) и ВСВ-25.
Неподвижное Подвижное кольцо кольцо
Рисунок 8.21 – Схема прибора одноплоскостного среза грунта (I – I" – заданная плоскость среза)
С помощью прибора ГГП-30 определяется сопротивление сдвигу образца породы диаметром 71,4 мм и высотой 40,0 мм. Максимальная допустимая вертикальная нагрузка 12 · 9,8 · 104 Па ≈ 12 · 105 Па ≈ 1,2 МПа.
Методика
Испытание производится следующим образом (см. рисунок 8.21).
– производится подготовка грунта;
– образец породы в разъемном кольце помещается в обойму;
– на грунт подается фиксированная вертикальная нагрузка (σ );
– определяется сдвигающее напряжение (τ );
– сдвигающее напряжение τ определяется при трех разных вертикальных нагрузках σ 1 ;
– сдвигающую нагрузку τ увеличивают ступенями, величина которых определяется на основании выбранной схемы испытания грунта;
– обработка экспериментальных данных сводится к построению паспорта прочности грунта. Значения tg φ и с вычисляют путем обработки экспериментально полученных значений τ и σ по методу наименьших квадратов.
Схемы испытаний грунтов на сдвиг различаются условиями предварительной подготовки грунта и скоростью сдвига.
По характеру предварительной подготовки глинистого грунта к испытанию различаются три основных метода испытаний:
1. Сдвиг образцов грунта в естественном состоянии без предварительного уплотнения (неконсолидированные).
2. Сдвиг образцов грунта, предварительно уплотненных разными нагрузками
и срезанных при нагрузках уплотнения образцов грунта (консолидированные);
3. Сдвиг образцов грунта, предварительно уплотненных одной и той же нагрузкой, но срезанных при меньших нагрузках (консолидированные).
В зависимости от скорости проведения испытания различают быстрый и медленный сдвиг:
1. Быстрый сдвиг проводится с такой скоростью, чтобы плотность – влажность грунта в процессе сдвига – не изменялась (недренированный сдвиг).
2. Медленный же сдвиг проводится с такой скоростью, когда плотность – влажность глинистого грунта – успевает прийти в равновесие с действующей нагрузкой (дренированный сдвиг).
Характер предварительной подготовки и режим проведения испытания определяют величину параметров сопротивления сдвигу.
При быстром сдвиге прочность глинистого грунта будет определяться только сцеплением, а силы внутреннего трения будут очень малы.
Результаты неконсолидированно-недренированного сдвига обычно используются для расчета устойчивости массива грунта на стадии строительства (метод
ϕ = 0).
При медленном сдвиге грунты обладают наибольшим сопротивлением сдвигу.
Результаты консолидированно-дренированного сдвига используются для расчета устойчивости массива глинистого грунта на стадии длительной эксплуатации.
Например: испытываем глинистый грунт.
Задаются три фиксированных нормальных напряжения σ 1 = 0,1 МПа, σ 1 ′ = 0,15 МПа и σ 1 ′′ = 0,20 МПа. Затем определяются сдвигающие напряжения (таблица 8.3).
Таблица 8.3
Рисунок 8.23 – Паспорт прочности песков
Из рисунка 8.23 видно, что сцепление равно нулю, тогда уравнение Кулона принимает следующий вид:
τ = σ tg ϕ
А ϕ
С В
σ н. |
Рисунок 8.24 – Схема выбора минимальных нормальных напряжений
Следует отметить , что при выборе минимального нормального напряжения (рисунок 8.24) (σ ) при сдвиговых испытаниях нужно учитывать σ н. – величину главного нормального напряжения, при котором происходит разрушение грунта. При
σ < σ н. моделируем разрушение грунта в точке В. Тогда полученные значения с 1 < С
и ϕ′ > ϕ , что недопустимо, т. к. использование этих данных в инженерных расчетах приводит к понижению надежности устойчивости инженерных сооружений.
Средние значения с и ϕ для дисперсных грунтов. Таблица 8.4
Показатели |
Коэффициент пористости, е |
|||||
Пески гравелистые |
||||||
Пески средней крупности |
||||||
Пылеватые |
||||||
Суглинки |
||||||
с – кгс/см2 , ϕ – град., глинистые грунты текучесть 0,25 < I < 0,5.
Срез со сжатием
Для определения сопротивления сдвигу методом среза со сжатием используют наклонные матрицы (рисунок 8.25). Специальный набор клиньев, позволяющих производить срез под углами от 25 до 65° с интервалом в 5°. Вертикальную нагрузку передают прессом.
Образец грунта
Рисунок 8.25 – Схема определения объемной прочности образцов методом косого среза: α – угол среза образца:
а) испытание образцов правильной формы грунта; б) испытание образцов неправильной формы грунта
Методика
Испытание производят следующим образом:
– производится подготовка образцов цилиндрической и призматической формы, могут быть испытаны также и образцы неправильной формы, которые заливают быстротвердеющим цементом в специальных обоймах;
– на грунт подается вертикальная нагрузка Q (см. рисунок 8.25), создавае-
мая прессом, которая раскладывается на нормальную (σ ) и сдвигающую (τ );
– устанавливаются (клиньями) углы среза α = 30°, α = 45° и α = 60° в наклонных матрицах (см. рисунок 8.25);
– подается вертикальная нагрузка (Q) до полного разрушения образца грунта, нагрузка фиксируется;
– проводят от 3 до 27 испытаний;
– производится обработка результатов исследований, которая сводится к
построению паспорта прочности грунта (рисунок 8.26) и определению с и ϕ .
Рисунок 8.26 – Паспорт прочности грунта
Например: испытываем аргиллиты.
1. Готовятся образцы, имеющие цилиндрическую форму, размером (мм): диаметр цилиндра 42 ± 0,1; высота цилиндра 42 ± 2,5; конусность и бочковидность ± 0,05.
2. α = 30°, α = 45° и α = 60° (таблица 8.5) и рассчитываются нормальные напряжения.
Таблица 8.5
Угол наклона |
Разрушающая |
Нормальные |
||||||
напряжения, σ = |
||||||||
испытания |
(α , град.) |
образца, см |
кгс/см2 |
|||||
3. Обработка данных.
От оси ординат откладываем угол α = 30° и проводим прямую через начало ординат. На этой прямой откладывается σ = 9,4 кгс/см2 . Подобные же операции делаем для α = 45° и α = 60°. Затем рассчитываем с и ϕ (рисунок 8.27).
с α =30°
45° 60 °
Рисунок 8.27 – Паспорт прочности аргиллита
Данный способ имеет большую трудоемкость. Однако он удобен для испытания пород, из которых невозможно изготовить образцы правильной геометрической формы, а также при определении угла внутреннего трения и сцепления по ослабленным поверхностям, трещинам, прослоям слабых пород и др.
Таким образом, рассмотрены природа прочности грунтов и методы определения прочностных показателей σ р. , σ сж. , с и ϕ .
Прочностные характеристики грунтов определяются по испытанию грунтов на срез. Испытание на срез связных грунтов (глины, суглинки и супеси) показывают, что грунты обладают связностью, интенсивность которой зависит от влажности грунта и степени его уплотненности. К образцу водонасыщенного пылевато-глинистого грунта приложена вертикальная нагрузка в первый момент времени передается на поровую воду. Лишь по мере выдавливания ее из пор это давление будет воздействовать на скелет грунта. В связи с этим образец испытывают на сдвиг после консолидации грунта, когда все возникающее нормальное напряжение уже передано на скелет грунта.
При напряжениях в диапазоне 0,05...0,5 мПа практически имеем прямую, описываемую уравнением Кулона
где – сопротивление грунта срезу – касательные напряжения при
которых грунт срезается по фиксированной плоскости при
нормальном давлении в МПа.
–угол внутреннего трения
–удельное сцепление в МПа, как параметр приведенной
прямолинейной зависимостью
–сила внутреннего трения.
Закон сопротивления пылевато-глинистых грунтов сдвигу формулируется так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения .
Необходимо построить
график
по данным испытаниям грунта на срез.Масштаб графика
по осям Р
и
0.1
мПа – 20мм. Удельное сцепление (с) находится
по формуле
На графике необходимо отмерить удельное сцепление (с) и провести прямую.
Определить
по графику, вычисляемого по формуле
.
После необходимо определить угол внутреннего трения (φ)в градусах, который представляет собой угол между диаграммой сдвига и осью абсцисс.рис.3.2.3.
Рисунок 3.2.3. График зависимости сдвигающихся напряжений от нормальных
Оценка пригодности грунта для транспортных сооружений зависит от дорожно-климатических зон и классификации типов местности по характеру и степени увлажнения.
Состав грунта и его свойства в большей мере зависят от плотности и влажности, которая, в свою очередь, определяется погодно-климатическими условиями. Таким образом, один и тот же грунт может быть пригоден, ограниченно пригоден или даже не пригоден в различных климатических зонах.
В соответствии со СНиП 2.05.02-85 вся территория бывшего СССР разбивается на 5 ДКЗ.
Различают три типа местности по характеру и степени увлажнения:
1) поверхностный сток обеспечен, что соответствует сухим местам;
2) поверхностный сток не обеспечен, что соответствует сырым и мокрым местам;
3) грунтовые воды или длительно стоящие (более 30 суток) поверхностные воды, оказывающие влияние на увлажнение верхней толщи грунтов, что соответствует мокрым местам.
Решая эту задачу, будем исходить из того, что заданный грунт намечено применять в качестве:
1) основания насыпи земляного полотна;
2) материала для возведения рабочего слоя или нижней части насыпи;
3) оснований фундаментов мелкого заложения искусственных сооружений.
Требования к грунтам для использования их в вышеперечисленных целях изложены в соответствующих технических документах: СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» и СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений».
Элементы земляного полотна:
Основание насыпи
Тело насыпи
Рабочий слой (2/3 Н пр)
Дорожная одежда
Верхняя часть земляного полотна (рабочий слой) – часть полотна, расположенная в пределах земляного полотна от низа дорожной одежды на 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия проезжей части.
Основание насыпи – массив грунта в условиях естественного залегания, расположенный ниже рабочего насыпного слоя, а при низких насыпях – и ниже границы рабочего слоя.
Основание выемки – массив грунта ниже границы рабочего слоя.
Производство оценки грунта.
Необходимо определить прочность основания земляного полотна по модулю деформации:
Е j = (1+ e i)/ а i * β
Если Е5МПА или J L = (W-W p) / J p = 0.5, то основание относится к слабым.
Определяем наименьшее возвышение поверхности покрытия над уровнем грунтовых вод или поверхности земли по таблице 21.
Таблица 21
Примечание: над чертой – возвышение поверхности покрытия над уровнем грунтовых вод, ворховодок, или длительно стоящих поверхностных вод; под чертой – то же, над поверхностью земли на участках с необеспеченным поверхностным стоком или над уровнем кратковременно стоящих поверхностных вод (менее 30 суток).
К рабочему слою предъявляются особые требования: грунт в рабочем слое должен быть непучинистым, ненабухающим, непросадочным.
По типу и подтипу грунта по таблице 7 Приложения 2 определяем группу грунта по степени пучинистости.
По группе грунта из таблицы 6 определяем степень пучинистости.
Вывод: так как заданный грунт соответствует (не соответствует) требованиям, то возводить рабочий слой из данного грунта целесообразно (не целесообразно)
При невозможности и нецелесообразности выполнения требований, указанных выше, должны быть предусмотрены мероприятия по обеспечению прочности и устойчивости рабочего слоя или по усилению дорожной одежды:
Устройство морозозащитного слоя;
Регулирование водно-теплового режима земляного полотна с помощью гидроизоляционных, теплоизоляционных, дренирующих или капилляропрерывающих прослоек;
Укрепление и улучшение грунта рабочего слоя с использованием вяжущих, гранулометрических добавок и др.;
Применение армирующих прослоек;
Понижение уровня подземных вод с помощью дренажа;
Применение специальных поперечников земляного полотна с целью защиты его от поверхностной воды (уположенные откосы, бермы);
Сооружение дорожной одежды с технологическим перерывом или в две стадии.
Мероприятия назначаются в соответствии со СНиП и технико-экономических расчетов.
В соответствии со СНиП на сооружении при сопряжении с мостами насыпи по длине поверху не менее высоты насыпи плюс 2 метра (считая от устоя) и понизу не менее 2 метров необходимо проектировать из непучинистых дренирующих грунтов.
При проектировании насыпей на слабых основаниях следует назначать обосновываемые расчетами специальные мероприятия, обеспечивающие возможность использования слабых грунтов в основании (уположение откосов, устройство боковых призм, временную перегруппировку, регламентацию режима отсыпки насыпи, устройство вертикального дренажа, групповых свай – дрен, свайного основания, устройство легких насыпей, армирование насыпей геотекстильными прослойками и др.)