Деформационные и прочностные свойства грунтов. Методы определения свойств грунтов

Определения

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).

Для специфических грунтов, особенности проектирования оснований которых изложены в разделе 6, и при проектировании подземных сооружений (раздел 9) дополнительно должны быть определены характеристики, указанные в этих разделах. По специальному заданию дополнительно могут быть определены и другие необходимые для расчетов характеристики грунтов (например, реологические).
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:

Определение свойств пучинистых грунтов см. на станице сайта "Пучинистые грунты Особенности проектирования "

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 "

h of − h o

Приложение А. п.:

Коэффициент пористости e определяется по формуле (См. А.6 ГОСТ 25100-2011)
e = (ρ s - ρ d)/ρ d , (А.5)

Плотность сухого грунта (скелета) ρ d определяют по формуле (см. А.16 ГОСТ 25100.2011)
ρ d = ρ/(1+w ), (А.8)

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 формуле
I L = (w - w p)/I p , (A.9)

Число пластичности I p (См. А.31 ГОСТ 25100-2011), %; определяют по формуле
I p = w L - w p , (A.17)

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 . Глава 5.1.6. п.:

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)

Модуль деформации по данным компрессионных испытаний E k - коэф. пропорциональности между давлением и относительной линейное общей деформацией грунта, возникающей под этим давлением, характеризующий остаточные и упругие деформации песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов, органо-минеральных и органических грунтов, (См. 5.4 ГОСТ 12248-2010)

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

В табл. 9 приведены ориентировочные значения плотностей частиц грунтов ρ s не содержащих водорастворимых солей и органических веществ

Прочностью грунтов называется их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими и др.), поэтому выделяют соответствующие типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях в первую очередь важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т. е. докритических), то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформации пластического течения (для пластичных грунтов).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами - кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, среди которых преобладают прочные химические (кристаллизационные и цементационные) структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями.

Поскольку на испытываемый образец грунта могут действовать разные напряжения (нормальные, касательные, объемные или их совокупности), то в качестве меры его прочности могут быть выбраны разные виды критических напряжений или их соотношения, именно такие меры являются параметрами прочности.

К настоящему времени известно более двух десятков условий прочности, разработанных для описания поведения глинистых и песчаных грунтов. Согласно классификации, предложенной W.-F. Chen, все напряженные состояния грунтов можно подразделить на одно- и двупараметрические модели. К однопараметрическим моделям относятся условия прочности Треска, Мизеса, Lade, Duncan. К двупараметрическим моделям относятся условия, предложенные Мором-Кулоном, Drucker-Prager, Р. Lade, М.В. Малышевым и др. После публикации W.-F. Chen прошло много лет (1984 г.), и за это время были предложены условия прочности или модели грунта, которые можно назвать многопараметрическими. В наиболее сложные из них входят до 6 независимых параметров, определяемых из очень сложных и дорогостоящих опытов. Несмотря на многообразие условий прочности, на практике применяются лишь несколько из них. Это в первую очередь условие прочности Мора-Кулона, Кэп-модели и многоповерхностные модели (Prevost, 1977, 1985; Dafalias, 1985). Последние две фуппы моделей грунта более сложные и не позволяют получать решения в аналитическом виде, поэтому они используются в нелинейной механике и численном решении задач .

При оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния, согласно которой определяют те или иные параметры критических (предельных) значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Пределами прочности называются такие пределы, при превышении которых происходит разрушение грунта и он не воспринимает прикладываемых к нему усилий. Критические значения па- раметров соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в которых он может находиться и которые могут харакгеризоваться величинами главных напряжений σ1, σ2 и σ3 , причем σ1, σ2 и σ3 в качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются (рис. 8.27):

плоскостной сдвиг (σ1 > 0, г > 0, рис. 8.27, а);
одноосное растяжение σ1 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, б);
одноосное сжатие (когда σ1 > 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, в)
трехосное сжатие (σ2 = σ3 ≠ σ1> 0, рис. 8.27 (г, д , е).

Рис. 8.27. Схемы опытов: па сдвиг (а): на одноосное растяжение (б); на одноосное сжатие (в): на трехостное сжатие: на определение недренированной прочности грунтов (г): дренированной прочности песчаных (д) и глинистых (е) грунтов

Прочностные характеристики дисперсных грунтов (угол внутреннего трения <р и удельное сцепление с) могут быть получены путем испытания грунтов лабораторными методами: на срез или трехосное сжатие, растяжение, но углу естественного откоса, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. Параметры прочностных свойств и лабораторные методы их определения, регламентируемые действующими нормативными документами, приведены в табл. 8.30.

Для водонасыщенных глинистых грунтов с показателем текучести //,>0,5, органоминеральных и органических грунтов, для которых подготовка целиков для полевых испытаний или отбор образцов для лабораторных испытаний затруднительны, прочностные характеристики (с„) для расчета оснований из этих грунтов в нестабилизированном состоянии могут быть определены полевым методом вращательного среза в скважинах или массиве.

Значения (рис песков и глинистых грунтов для сооружений II и III уровней ответственности могут быть определены полевыми методами поступательного и кольцевого среза в скважинах. При этом для сооружений 11 уровня ответственности полученные значения <р и с должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах.

Значения (р и с песков и глинистых грунтов могут быть определены методом статического зондирования . а песков (кроме пылеватых водонасыщенных) - методом динамического зондирования. Для сооружений I и II уровней ответственности полученные зондированием значения (рис должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. В остальных случаях допускается определять значения (рис только по данным зондирования [ 114).

Испытания вращательным срезом крыльчаткой следует проводить для оценки максимальных значений сопротивления сдвигу с и органо-минеральных и органических грунтов и глинистых грунтов мягкопластичной, текучей консистенции в недренированных условиях. Методику испытаний и интерпретацию полученных результатов следует выполнять в соответствии с ГОСТ 20276-99 (или ASTM D2573, NEN 5106 при выполнении изысканий совместно с иностранными инвесторами или по их техническому заданию).

Определение прочностных характеристик грунтов в лабораторных условиях следует производить методом трехосного сжатия (ГОСТ 12248), а их результаты использовать для корректировки данных испытаний одноплоскостного среза . Другие виды напряженных состояний могут быть реализованы в приборах прямого и кольцевого сдвига (рис. 8.28, я), в установках с перекашиванием образца (рис. 8.28, б), при помощи лабораторных сдвигомеров-крыльчаток (рис. 8.28, в) и при испытаниях сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 8.28, г, д). Образцы грунта могут иметь форму: куба, параллелепипеда, сплошного или полого цилиндра, сплошной или полой катушки.

Таблица 8.30

Методы определения прочностных характеристик немерзлых грунтов

Окончание табл. 8.30

Рис. 8.28. Схемы и фотографии приборов:

а - кольцевого сдвига: б - прямого сдвига с перекашиванием образца; в - лабораторный вариант крыльчатки и полевой тестер-крыльчатка; г, д - схемы испытаний сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (81. 92]

Приборы кольцевого сдвига применяются для определения прочности грунтов как при малых, так и при больших сдвиговых деформациях (в сотни процентов). У большинства грунтов наблюдается уменьшение прочности с ростом деформации сдвига после достижения пикового состояния. Этот процесс можно зафиксировать в приборе кольцевого сдвига, а также с помощью прибора прямого среза при кинематическом нагружении образца. В приборе кольцевого сдвига (рис. 8.29), кроме значений максимального и предельного угла внутреннего трения, замеряется параметр остаточной прочности (р г, применяемый при расчетах устойчивости склонов, откосов котлованов, подпорных стен и при моделировании оползневых процессов или движения грунтов в зоне сброса по уже сформировавшейся плоскости скольжения. Главное преимущество испытаний на кольцевой сдвиг заключается в деформации сдвига с постоянной площадью образца в течение всего опыта, а также возможность выполнять испытания грунтов при деформации сдвига более 10...30 %, чего не позволяют приборы прямого среза или простого сдвига. Кроме того, в условиях кольцевого среза не меняется ориентация частиц в послепиковом состоянии, что характеризуется почти нулевым сцеплением и минимальным трением.

При испытаниях в приборе кольцевого сдвига грунт находится в двух кольцах (верхнее или нижнее), одно из которых вращается, а другое (верхнее или нижнее) лежит неподвижно. Опыт проводится при постоянном нормальном давлении, которое определяется по зависимости:

где Р - нагрузка от веса грузов, штампа и штанги; г 0 и г, - соответственно внутренний и наружный радиусы кольцевого штампа.

Касательное напряжение рассчитывается по величине крутящего момента М

Рис. 8.29. Срезные приборы, определяющие прямые и остаточные напряжения: а - схемы опыта с кольцевыми приборами; о - схема кольцевого прибора; в - фотография прибора кольцевого сдвига (производитель Wykeham Farrance)

Метод кольцевого сдвига дает возможность воссоздавать в лаборатории условия, аналогичные естественным, и получать очень точные значения остаточного сопротивления, которые зависят не только от величины нормального давления в плоскости сдвига, но и от скорости сдвига. Обычно при смещении склонов наблюдается скорость движения грунтовых масс от 5 см/год до 50 см/сут.

Устройства простого сдвига с перекашиванием образца (рис. 8.28, б) позволяют моделировать различные условия действия сдвигающих нагрузок. Результаты применяются при расчете устойчивости подводных склонов континентальных шельфов, характеризуемых слоистым залеганием глинистых грунтов; при прогнозе поведения грунтов под фундаментом морских платформ или рядом с боковой поверхностью свай. Установка предназначена для уплотнения образца дренирования и затем сдвига. Деформация сдвига вызывается горизонтальным смещением нижней части образца относительно верхней, кольца скользят друг по другу и при этом диаметр образца остается постоянным, поэтому любые изменения объема являются результатом вертикального движения верхнего прижимного устройства. На этапе сдвига во время испытания вертикальная высота образца поддерживается постоянной с помощью вертикального привода, соединенного обратной связью с датчиком смешения. Образцы грунта могут быть в форме цилиндра, прямоугольника или куба.

Преимущества данного прибора заключается в том, что если в условиях прямого среза разрушение образца грунта происходит вдоль заранее фиксированной горизонтальной плоскости, то в условиях простого сдвига разрушение будет проходить вдоль серии горизонтальных (или вертикальных) плоскостей сдвига по ослабленным участкам грунта с наименьшим сопротивлением. В отличие от испытаний на прямой срез (когда практически невозможно выдержать недренированные условия), при опытах в приборах прямого сдвига образец находится в резиновой оболочке, что позволяет проводить дренированные и недренированные испытания, сохраняя объем грунта, а также измерять поровое давление. Испытания в условиях простого сдвига позволяют определить не только параметры прочности, но и модуль сдвига G.

Испытания на прямой одноплоскостной или кольцевой сдвиг проводятся в основном для таких условий устойчивости грунтов, когда возникают явные плоскости разрыва или когда прочностные характеристики определяются на поверхности контакта іруит- фундамент. Результаты этих испытаний хорошо совпадают. Напряжения в условиях кольцевого сдвига более однородны, при этом испытании легче получить большие деформации сдвига и определить остаточную прочность грунта, чем в приборе прямого сдвига. Подготовка образца для испытаний в условиях прямого сдвига менее трудоемка по сравнению с кольцевым сдвигом.

Сравнение результатов испытаний в условиях простого сдвига с результатами испытаний в условиях трехосного сжатия или прямого среза свидетельствует о том, что в условиях простого сдвига максимальная прочность получается ниже, а разница в значениях остаточной прочности менее существенна. Учитывая эти различия, рекомендуется принимать значения пиковой прочности при срезе с понижающими коэффициентами 0,77-0,85 .

Для полевых исследований прочности слабых грунтов (торфов, илов, текучих и текучепластичных глинистых грунтов) применяется сдвигомер-крыльчатка. Аналогичный миниприбор используется и в лабораторных условиях. Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно перпендикулярные пластинки, насаженные на вертикальную ось (рис. 8.28, в ), к которой прикладывается крутящий момент и измеряется его предельная величина, используемая для расчета сопротивления недренированному сдвигу с и.

В установках, действующих по схемам торсионного сдвига (рис. 8.28, г) и кручения пустотелого цилиндра (рис. 8.28, <)), образцы фиксируются в основании, и вращение производится вокруг вертикальной оси в верхней части образца. Изначально для этих схем испытаний применялись стабилометры кручения, в 1957 г. W. Kirpatric предложил использовать полые цилиндры грунта, что позволило приводить во вращение верхний нагрузочный штамп, а также создавать давление внутри и с внешней стороны образца. За рубежом приборы для испытаний получили название НСА (Hollow Cylinder Apparatys). При испытании полых цилиндрических образцов (рис. 8.30, в) моделируется истинное трехосное сжатие с вращением направлений осей главных напряжений (рис. 8.30, а). В результате создается широкий диапазон возможных вариантов сложного напряженного состояния в образце грунта, что особенно важно для грунтов анизотропных: можно изменять вертикальное (

Рис. 8.30. Испытания полых цилиндрических образцов: а - максимальные и минимальные напряжения в грунтах основания: б - прибор НСА (производитель Wykeham Farrance); в устройства для подготовки образцов; г - образец грунта перед установкой в камеру трехосного сжатия

Как уже отмечалось, при проведении испытаний грунтов необходимо выбрать условия, которые наиболее полно соответствуют реальным условиям работы грунта в основании будущего сооружения. К основным внешним факторам, влияющим на прочность грунтов, относятся: вид напряженного состояния, условия проведения испытаний (закрытая или открытая система, влияние порового давления и т. п.), скорость нагружения, характер нагружения образца (статическое или динамическое) и др.

Влияние вида напряженного состояния в условиях чистого сдвига, одноосного растяжения и сжатия, а также трехосного сжатия (схемы опытов приведены на рис. 8.27) на прочность грунтов можно проанализировать с помощью кругов Мора паспорта прочности грунта (рис. 8.31). Паспортом прочности грунта является кривая, огибающая предельные круги напряжений Мора в координатах нормальных и касательных напряжений. Предельный круг Мора соответствует предельному напряженному состоянию, достигаемому

при данном соотношении наибольшего и наименьшего главных нормальных напряжений, и имеет радиус R = /2с координатами центра ( / 2; 0). Для построения паспорта прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении по совокупности парных значений o c v = ffmax и оъ = <7 П ип (полученных при объемном сжатии не менее чем при трех различных значениях бокового давления <7з) в координатах строят полуокружности радиусами /2 с координатами центров / 2; 0) К семейству полуокружностей добавляют полуокружности радиусами (т р /2и<т с /2с координатами центров (-я р / 2; 0) и (я с / 2; 0), где <т р - предел прочности при одноосном растяжении; я с - предел прочности при одноосном сжатии.

Рис. 8.31. Паспорт прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении

Из диаграмм (рис. 8.31) следует, что один и гот же грунт, в зависимости от вида напряженного состояния, будет иметь различные величины предельных параметров прочности, наименьшее значение характерно для условий простого одноосного растяжения (разрыва), наибольшее - для условий объемного сжатия.

Характеристики прочности грунтов зависят от скорости нагружения образца , параметры сопротивления скальных и связных грунтов сдвигу (угол внутреннего трения (р и сцепление с) различны для одного и того же грунта, испытываемого в условиях быстрого или медленного сдвига. С уменьшением скорости нагружения (увеличением длительности испытания) величина удельного сцепления закономерно снижается, а угол внутреннего трения возрастает. С целью идентификации вида напряженного состояния, при котором касательные напряжения достигают предела прочности, применяют такие термины, как кратковременная и длительная устойчивость.

Кратковременная устойчивость предполагает возникновение ряда условий в массиве слабых водонасыщенных глинистых грунтов с низкой проницаемостью, как в ходе строительства, так и при эксплуатации сооружения. Эти условия включают быстрые темпы нагружения основания, отсутствие возможности дренирования, возникновение избыточного порового давления. В этом случае прочность глинистых грунтов оценивается в условиях недренироваиного нагружения.

Длительная устойчивость оценивается в условиях возможности дренирования и частичной (или полной) консолидации грунта с рассеиванием порового давления и стабилизацией деформаций. Эти условия возникают мгновенно при строительстве на крупно- обломочных и песчаных грунтах, в глинистых грунтах стабилизация деформаций продолжается более длительное время. При возникновении данных условий прочность грунта оценивается в условиях дренированного нагружения.

В некоторых случаях необходимо определять и кратковременную, и длительную устойчивость основания. Например, в течение строительства насыпи в водонасыщенных грунтах основания дренирование будет практически отсутствовать, а после ее возведения в процессе дренирования и консолидации прочность будет изменяться. В первом случае нужно проводить неконсолидированно-недренированные испытания, во втором - консолидированно-дренированные или консолидированно-недренированные.

К условиям испытаний, влияющим на прочность грунтов, прежде всего относятся закрытая или открытая (недренированная или дренированная) схемы испытании.

Параметры дренированной прочности определяют в установках прямого среза и трехосного сжатия (испытания консолидированно-дренированные). При определении прочности в условиях открытой системы из грунта при нагружении может отжиматься вода. За счет этого возникающее при передаче на грунт нагрузки (о) поровое давление (и) постепенно рассеивается и при медленном нагружении может упасть до нуля. В неполностью водонасыщенных грунтах поровое давление не учитывают. При дренированном нагружении прочность грунтов зависит в значительной степени от того, испытывает ли грунт сжатие или расширение от действия внешней нагрузки. Если грунт расширяется (например, зона перед подпорной стенкой) или сжимается (за подпорной стенкой), то прочность грунта будет различной. Прочность грунтов при расширении меньше прочности при сжатии.

Параметры недренированной прочности с и получают из результатов неконсолидированно-недренированных испытаний в установках прямого среза и трехосного сжатия, которые отражают поведение глинистого грунта с низкой проницаемостью при любой скорости нагружения, даже при очень медленной. Высокая скорость возведения сооружения и отсутствие возможности дренирования не дают грунту консолидироваться и влияют на его прочность. При определении прочности водонасыщенных грунтов в условиях закрытой системы грунт изолирован от внешней среды, он не может впитывать или отдавать воду при нагружении, его влажность остается постоянной. Возникающее при нагружении образца поровое (или нейтральное) давление (и) увеличивается пропорционально приложенной нагрузке (о) вплоть до момента разрушения образца или остается постоянным при данном постоянном напряжении о.

Сопротивление срезу с ы в водонасыщенных органо-минеральных и органических грунтах допускается отождествлять с величиной удельного сцепления с (по методике (р = 0), что позволяет вести расчеты несущей способности и устойчивости оснований и откосов по имеющимся расчетным схемам с использованием стандартных программ. Полевые исследования органо-минеральных и органических грунтов с помощью четырехлопастной крыльчатки в ряде случаев являются единственно возможным способом определения их механических свойств. Недренированная прочность используется как классификационный показатель, например, в стандарте Великобритании BS. В табл. 8.31 приведена классификация грунтов по недренированной прочности.

Наличие или отсутствие норового давления в грунтах имеет немалое значение при исследовании их прочности. В большинстве случаев результаты испытаний обрабатываются с использованием условия прочности Кулона или Мора-Кулона. Прочность грунта по Кулону зависит от нормального давления, которое можно выразить через полные и эффективные напряжения. При определении параметров прочности в полных напряжениях поровое давление не учитывают, полагая, что в условиях полного дренирования оно рассеивается, поэтому испытания на стадии сдвига проводят по открытой схеме, допуская дренирование и нагружение образца ступенями с выдержкой до полной стабилизации деформации сдвига. Если поровое давление измеряется, что возможно только при полном водонасыщении образцов и отсутствии дренирования, то при проведении опытов по схеме неконсолидированно-недренированного или консолидированно-недренированного сдвига можно определить параметры прочности в эффективных напряжениях. Чем больше поровое давление и, тем меньшая часть внешнего давления передается на скелет грунта. Для учета влияния порового давления, согласно К. Терцаги, вводят эффективное давление, тогда уравнение Кулона с учетом норового давления принимает вид:

где о" - эффективное давление; и - поровое давление; с" - удельное сцепление (в терминах эффективных напряжений).

Таблица 8.31

Сдвиговая прочность грунтов в недренированных испытаниях

Разновидность грунтов	Сопротивление недренированному сдвигу с„. кПа
Чрезвычайно низкой прочности
Очень низкой прочности	10 < с„ < 20
Низкой прочности	20 < с и < 40
Средней прочности	40 < с и < 75
Высокой прочности	75 < с и < 150
Очень высокой прочности	150 < с„ < 300
Чрезвычайно высокой прочности	с и > 300

Таким образом, если в расчетах устойчивости склонов или несущей способности оснований учитывается норовое давление, то параметры прочности принимают в эффективных напряжениях; если поровое давление не учитывается, то в полных.

Характер нагружения, также влияющий на параметры прочности грунтов, проявляется в разных способах передачи на грунт внешних напряжений. Они могут быть статическими (при действии постоянных или медленно меняющихся нагрузок) или динамическими (при действии переменных, циклических, периодических, импульсных нагрузок и др.). Особенности и закономерности разрушения одного и того же грунта в статических или динамических условиях различны, поэтому при динамических воздействиях прочность грунтов изучается специальными способами.

План лекции:

1. Общие положения.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой.

4. Упругие деформации.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов.

6. Механизм пластических деформаций.

7. Построение компрессионной кривой.

8. Показатели деформаций.

9. Консолидация грунтов.

10. Эффективное и нейтральное давление.

11. Методика определения деформационных свойств грунтов.

1. Общие положения

Механические свойства грунтов проявляются при воздействии на них внешних нагрузок.

Механические свойства подразделяются наследующие виды:

– деформационные;

– прочностные;

– реологические.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. То есть не приводящими к разрушению грунта.

Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта.

Реологические свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками во времени.

Деформацией называется перемещение частиц тела под действием механических напряжений.

В нормативных документах употребляется термин деформация грунтов, при этом данные деформации не связанны с внешними нагрузками, например деформации набухания и т. д.

Поэтому термин деформационные свойства грунтов в практике следует различать по виду воздействия на грунт:

1. Деформации, связанные с воздействием природных условий на грунт.

2. Деформации, связанные с внешним нагружением грунта.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями

Деформация набухания оценивается через показатель εSW (относительная деформация набухания). Рассчитывается следующим образом (рисунок 7.1):

ε SW = h h

где h – первоначальная высота образца;

∆h – увеличение высоты образца при его замачивании.

Рисунок 7.1 – Схема расчета относительной деформации набухания

Природа наб ухания – набухание происходит за счет раздвижки молекулам водного раствора структурной решетки кристаллов.

Деформация просадочности оценивается через показатель εS (относительная деформация просадочности) которая рассчитывается следующим образом (рисунок 7.2):

Рисунок 7.2 – Схема расчета относительной деформации просадочности

Природа пр осадочности – при замачивании грунта разрушаются структурные связи и грунт без нагрузки может деформироваться.

Морозное пучение оценивается через показатель относительной деформации морозного пучения εfn , который определяется по формуле (рисунок 7.3):

где hof – высота мерзлого грунта;

ho – начальная высота грунта, до замерзания.

Рисунок 7.3 – Схема расчета относительной деформации морозного пучения грунтов

Природа мо розного пучения – при понижении температуры < 0 °С вода в порах грунта замерзает и расширяется, что вызывает деформацию грунта.

Вышеприведенные виды деформации грунтов связаны с природными факторами. Ниже рассмотрим деформации связанные с нагружением грунта.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой – общие положения

а). Понятие о напряжениях. б). Виды деформаций.

в). Связь между напряжением и деформацией.

а). Понятие о напряжениях

Для понимания данного материала рассмотрим понятия о напряжениях в грунтах.

Внешние нагрузки, передающиеся на грунт, представляют собой механические напряжения, которые являются мерой этих внешних сил (рисунок 7.4). Под механическим напряжением понимается сила, действующая на единицу площади грунта.

Рисунок 7.4 – Схема распределения внешних и внутренних сил, действующих в объеме грунта в точке М

Из рисунка 7.4 видно, что на любую точку в массиве грунта (М) воздействуют три силы (Р). Эти силы раскладываются на нормальные (σ ) и касательные (τ ) напряжения. Нормальные напряжения действуют по нормали к площадке, а касательные – вдоль нее (рисунок 7.5).



τ yz	τ xz
τ yz			τ zx
		τ yx
τ zy



	τ yx

Рисунок 7.5 – Компоненты касательных (τ ij ) и нормальных (σ i ) напряжений

Совокупность всех напряжений для всех площадок, проходящих через точку М, характеризует напряженное состояние в точке. Оно определяется тензором напряжений (Тσ ), компонентами которого являются три нормальных (σ х , σ у , σ z ) и шесть касательных (τ ху = τ ух , τ yz = τ zy , τ zx = τ xz ) напряжений.

б). Виды деформаций

По виду прилагаемой нагрузки на грунт выделяются следующие виды деформаций:

– линейные;

– касательные;

– объемные.

Линейные деформации обусловлены нормальными напряжениями (σ ). Ме-

рой линейных деформаций является относительная линейная деформация (e ), которая определяется по формуле:

e = h h0

∆h

где h 0 – первоначальная высота образца; h – высота образца при его нагружении;

∆h – прирощение (уменьшение) длины образца при его нагружении.

Касательные деформации обусловлены касательными напряжениями (τ ). Мерой касательных деформаций является относительная деформация сдвига (γ ), которая определяется по формуле:

γ =



l h 0 o

где h o – первоначальная высота образца;

s – величина сдвига под воздействием касательных напряжений.

Объемные деформации обусловлены всесторонней нагрузкой на тело. Мерой объемных деформаций является относительная объемная деформация (e v ), которая определяется по формуле:

e v = V V

где V – первоначальный объем тела;

V1 – объем тела, полученный при нагружении;

V – абсолютное изменение объема при нагружении.

V = V V − V1

в). Связь между напряжениями и деформациями грунта

Одним из главных вопросов в грунтоведении (механике грунтов) является установление связи между напряжениями и деформациями в грунтах.

В общем случае эта связь нелинейная и зависит от многих факторов. Все факторы учесть невозможно, поэтому до настоящего времени нет уравнения, описывающего эти взаимодействия.

В грунтоведении (механике грунтов) используют уравнения Гука.

Закон Гука записывается следующим образом:

– длялинейных деформаций σ = Е·e , гдеЕ– модуль Юнга(модуль упругости);

– для касательных деформаций τ = γ·G , где G – модуль упругости сдвига;

– для объемных деформаций σ v = K·e V , где К – модуль объемной упругости.

В практике при прогнозе устойчивости инженерных сооружений наибольшее распространение получили линейные деформации e . Касательные и объемные используются при решении частных задач. Поэтому ниже остановимся на линейных деформациях.

Линейные деформации

При приложении к грунту внешней нагрузки в нем первоначально возникают упругие деформации, затем пластические и разрушающие (рисунок 7.6).

еу

e n е р

Рисунок 7.6 – Схема формирования упругих (1), пластических (2) и разрушающих (3) деформаций

4. Упругие деформации

Под упругими (объемными) деформациями грунта понимаются деформа-

ции, которые восстанавливаются при устранении (снятии) сил, их вызывающих (рисунок 7.7).

а) Механизм упругого деформирования следующий: при нагружении грунта в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения вызывают изменение расстояния между атомами кристаллической решетки. Снятие нагрузки устраняет причину, вызванную изменением межатомного расстояния, атомы становятся на прежнее место и деформация исчезает.

Если нормальные напряжения достигают значений сил межатомных связей (величины структурных связей в грунте), то происходит хрупкое разрушение грунта путем отрыва.

Структура

Рисунок 7.7 – Схема формирования упругих деформаций на уровне: 1 – кристалла; 2 – структурной связи; 3 – грунта

Графическая зависимость напряжения и деформаций грунта приведена на рисунок 7.8.

	е обр.

Рисунок 7.8 – Зависимость напряжений и деформаций грунта при нагрузке ОА и разгрузке АО

Из рисунка 7.8 видно, что при нагружении грунт деформируется на отрезке ОА по линейной зависимости. При разгрузке грунт полностью восстанавливает свою форму, о чем свидетельствует ветвь разгрузки АО, которая повторяет ветвь нагрузки ОА.

Отсюда деформация е обр. – есть упругая часть общей деформации.

б) Мерой упругих деформаций является модуль упругости (модуль Юнга), который определяется по зависимости (рисунок 7.9):

E = σ

e обр.

где σ – напряжение; е прод. – относительная деформация грунта.

e прод .

Рисунок 7.9 – Схема определения модуля Юнга

Мерой поперечных деформаций является коэффициент Пуассона, который определяется по формуле:

μ = e попер.

где e попер – относительные поперечные деформации.

e попер. = d d

e прод – относительные продольные деформации.

e прод. = h h

в) Методика определения упругих свойств пород включает в себя:

– изготовление образца в виде цилиндра с соотношением высоты (h ) к диаметру (d ) равным 2 ÷ 4;

– нагружение образца через пресс;

– измерение продольных и поперечных деформаций при каждой ступени нагружения;

– расчет показателей.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов

К основным факторам, определяющим упругие свойства пород, можно отнести:

– трещиноватость (пористость);

– структурные связи;

– минеральный состав.

Упругие деформации в значительной мере проявляются у скальных грунтов, в дисперсных они имеют подчиненное значение. Поэтому рассмотрим факторы, влияющие на упругие свойства грунтов, по группам.

Скальные грунты

У большинства скальных грунтов область упругости сохраняется до напряжений, составляющих 70–75 % от разрушающих.

Трещиноватость (пористость)

Влияние трещиноватости и пористости на упругие свойства грунтов значительно. На рисунке 7.10 приведены зависимость модуля упругости от пористости.

Рисунок 7.10 – Зависимость модуля упругости (Е) грунтов разного состава от пористости (n):

1 – мигматиты и гранитоиды;

2 – граниты;

3 – габбро и диабазы;

4 – лабрадориты;

5 – железистые кварциты;

6 – кварциты и песчаники;

7 – карбонатные грунты;

8, 9, 10 – основные, средние и кислые эффузивы; 11 – туфы и туфобречкии.

Из рисунка 7.10 видно, что с увеличением пористости от 1 до 20 % модуль упругости уменьшается в 8 раз. Подобная же закономерность характерна и для трещиноватых грунтов (рисунок 7.11). С увеличением трещиноватости модуль упругости Е уменьшается в 3 раза.

Рисунок 7.11 – Зависимость динамического модуля упругости (ЕD ) грунтов от степени тектонической нарушенности:

I – слаботрещиноватые;

II – среднетрещиноватые;

III – сильнотрещиноватые;

1 – габбро-долериты;

2 – базальты порфировые;

3 – известняки, доломиты, мергели;

4 – песчаники, алевролиты и аргиллиты;

5 – пирротин-халькопиритовые руды.

Минеральный состав

На упругие параметры влияет довольно сильно. При прочих равных условиях упругие константы грунта будут тем выше, чем выше эти константы у породообразующих минералов.

Структурные связи

Являются определяющим, после трещиноватости, фактором, влияющим на упругие свойства грунтов. Так, в магматических грунтах , где цементом является материнская порода магмы, модуль упругости изменится от Е = 40÷ 160 ГПа. В метаморфических , где цементом является перекристаллизационная материнская порода, значения модуля упругости ниже – Е = 40÷120 ГПа. В осадочных породах , где цементом являются соли, выпавшие из инфильтрационных растворов, значение модуля минимальное – Е = 0,5÷ 80 ГПа (рисунок 7.12).

Рисунок 7.12 – Взаимосвязь между материалом жестких структурных связей

и модулем упругостей скальных грунтов

У дисперсных грунтов модуль упругости определяется, в основном, типом структурных связей (рисунок 7.13). Так, в твердых глинах, с жесткими структур-

ными связями, Е = 100÷ 7600 МПа, в текучепластичных, где связи практически нет, модуль составляет Е = 2,7÷ 60 МПа, т. е. Е уменьшается в 30÷ 100 раз.

твердая (жесткая) текучепластичная (водно-калоидная)

Рисунок 7.13 – Взаимосвязь между типами структурных связей и модулем упругости для глины

Численные значения некоторых скальных и полускальных грунтов приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Значения характеристик упругих свойств скальных и полускальных горных пород

	Модуль упругости,	Коэффициент поперечной
	103 МПа (Юнга)	деформации (Пуассона)




Известняк слабый

Песчаник плотный
Песчаник слабый

1 мПА – 10 кгс/см2

6. Механизм пластических деформаций

Под пластическими деформациями понимаются деформации, которые не восстанавливаются при устранении (снятии) сил, вызывающих их (рисунок 7.14).

В классическом виде пластические деформации в упругих телах образуются следующим образом: при нагружении материала в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием касательных напряжений одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. При снятии нагрузки эти перемещения остаются, т. е. происходит пластическая деформация (см. рисунок 7.14). Нормальные напряжения формируют упругие деформации.

Рисунок 7.14 – Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений:

а – ненапряженная решетка;

б – упругая деформация;

в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация;

д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Под упругим телом понимается материал, в котором отсутствуют поры и трещины. В грунтах всегда есть поры и трещины. Поэтому механизм формирования пластических деформаций несколько отличается от классического.

При нагружении грунтов, особенно дисперсных, высокопористых, в них возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием нормальных напряжений первоначально формируются упругие деформации (незначительные), затем за счет уменьшения пор в грунте происходит перемещение частиц грунта относительно друг друга. Эти перемещения под действием нормальных напряжений заканчиваются при заполнении порового пространства грунтовыми частицами. После чего, по классической схеме, в работу вступают касательные напряжения, которые и формируют классическую часть пластических деформаций.

	σ уплот.

	∆h1	∆h2
		∆h2


Рисунок 7.15 – Схема формирования пластических деформаций в грунтах:
а – первоначальное состояние грунта;
б – грунт под действием нормальных напряжений
	уплотнился (сжался) (σ уплот. )
в – грунт (частицы) под действием касательных напряжений
	сдвинулся (сдвинулись).
Отсюда полная (общая) относительная деформация грунта:

е полн. = е общ. =			h 1 + h 2

e сж. =			e с .п . =
e сж. =			e с .п . =

Таким образом, в грунтах пластические деформации (е п . ) фактически складываются из деформаций сжатия (е сж. ) и собственно пластических е с.п . , т. е.

е п.=е сж. + е с.п. = е общая

При этом доля собственно пластических деформаций в составе общих незначительна. Поэтому в практике геологи работают с деформацией сжатия, которую называем сжимаемостью.

Под сжимаемостью понимается способность грунтов уменьшаться в объеме (давать осадку) под воздействием внешнего давления (нормальных напряжений).

7. Построение компрессионной кривой

Показатели сжимаемости определяются в лаборатории в условиях одномер-

ной (линейной) задачи. Такой вид испытаний грунта, без возможности бокового расширения, называется компрессией, а прибор – одометром (рисунок 7.16).

Рисунок 7.16 – Схема компрессионного прибора (одометра) 1 – одометр, 2 – грунт, 3 – поршень, P – нагрузка

При нагружении грунта в компрессионном приборе, диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному изменению объема, т. е.

где h 0 – первоначальная высота образца грунта;

h – изменение высоты образца под давлением; V 0 – первоначальный объем образца грунта;

V – изменение объема образца под давлением.

Так как уплотнение грунта происходит, главным образом, вследствие уменьшения объема пор, то деформацию сжатия грунта выражают через изменение величины коэффициента пористости (рисунок 7.17).

V = V0 − V1

h = h0

− h

V n = ε 0 V c

Во да

=ε 1 V c

Вод а

V 0 = V c (1 + ε 0 )

V c (1+ ε 1 )

Рисунок 7.17 – Изменение объема пор в грунте при компрессии:

а – первоначальное состояние;

б – после компрессии;

Vn – объем пор;

Vс – объем скелета грунта;

ε0 , ε1 – коэффициенты пористости начальный и после компрессии; h0 – первоначальная высота образца;

h – высота образца после компрессии;

h – изменение высоты образца под давлением.

Напомним, что коэффициент пористости – это показатель, характеризующий отношения объема пор (V n ) к объему минеральной части грунта (V с ).

По этой же схеме рассчитывается объем образца при нагружении (V1 ):

V 1 = V c (1 + ε 1 )

Подставив в выражение (1) значение объемов образцов до опыта и после опыта (4) и (5), получим:

Из формулы (6) получим выражение для коэффициента пористости грунта, соответствующего данной ступени нагрузки (ε p ):

давлении P , ε 0 – коэффициент пористости начальной.

Зная коэффициенты пористости (или относительные деформации) грунта при соответствующих ступенях нагрузки, можно построить компрессионную кривую (рисунок 7.18).

ε = ρ s − ρ d

ρ d

где ρ s – плотность частиц;

ρ d – плотность сухого грунта.

ε 1 A

				P, кгс/см2

Рисунок 7.18 – Компрессионная кривая, построенная по данным коэффициента пористости и нагрузке

8. Показатели, характеризующие сжимаемость грунтов

Компрессионную сжимаемость грунтов можно характеризовать разными показателями: коэффициентом сжимаемости (a ), модулем осадки (e p ) и модулем общей деформации (E 0 ).

Коэффициент сжимаемости (компрессии) (a) определяется следующим образом. Для небольших диапазонов давлений (1–3 ктс/см 2 ) компрессионную кривую между точками А и В заменяем прямой, тогда:

где ε и P – интервалы измерений ε и P .

Как видно из уравнения, коэффициент компрессии характеризует уменьшение пористости при повышении давления на единицу.

Модуль общей деформации (E 0 ) характеризует также уменьшение пористости при нагружении грунта и определяется:

E 0 = β 1 + a ε 0 ,

где ε 0 – первоначальный коэффициент пористости; a – коэффициент сжимаемости;

β – коэффициент, зависящий от поперечного расширения грунта

и приблизительно равный для песков – 0,8; для супесей – 0,7; для суглинков – 0,5 и для глин – 0,4.

Модуль общей деформации можно получить, используя закон Гука:

E = σ e

Для этого строится компрессионная кривая по данным относительной деформации (e ) и нагрузки (напряжении) (рисунок 7.19).

e = h h

e 1 e 2

Рисунок 7.19 – Компрессионная кривая, построенная

по данным относительной вертикальной деформации (e) и нагрузки

Расчет E 0 , проводится по зависимости

E 0 =	P 2 − P 1

	e 1 − e 2

В таблице 7.1 приведены некоторые значения E общ. модуля общей деформации.

Таблица 7.1 – Модуль общей деформации различных типов горных пород по результатам полевых опытных испытаний

		Модуль деформации
		103 МПа	ктс/см2 *
	Красноярская ГЭС
Граниты среднетрещиноватые
Граниты сильнотрещиноватые
Граниты зоны выветривания	Днепродзержинская ГЭС
	Кабрил, Португалия
	Канисада, Португалия
	Каштелу-ду-Боди, Португалия
Граниты крупнозернистые	Саламонди, Португалия

	Братская ГЭС
Диабазы зоны выветривания
	Арджеш-Корбень, Румыния
Песчаники ордовикские	Братская ГЭС
Известняки верхнемеловые	Чиркейская ГЭС
Известняки битуминозные,	Кассеб, Тунис
среднепалеогеновые	Кассеб, Тунис
среднепалеогеновые
Порфириты девонские	Талоресская ГЭС
Базальты	Булл-Ран, США
Туфолавы четвертичные	Зеландия
Глины мергелистые татарского яруса	Горьковская ГЭС

* – 1 МПа – 10 ктс/см2

Модуль осадки (сжимаемости)

В практике расчетов часто в качестве меры сжимаемости применяют непосредственно величину относительной вертикальной деформации:

e p = 1000 h h мм / м .

Величина e p называется модулем осадки и представляет величину сжатия в миллиметрах столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки P .

h – уменьшение высоты образца при давлении P , мм . h 0 – начальная высота образца, мм .

На основании определений модуля осадки строится кривая зависимости модуля осадки от давления (рисунок 7.20), которая позволяет быстро находить величину осадки толщи грунта с мощностью 1 м при том или ином давлении.

Модуль осадки ep в мм/м

	ep = f (Pn )

Вертикальное давление Pn , в кГ/см2

Рисунок 7.20 – Кривая зависимости модуля осадки от давления

9. Консолидация грунтов

Уплотнение глинистого водонасыщенного грунта во времени под постоянной нагрузкой называется консолидацией. Знание процесса консолида-

ции глинистых грунтов необходимо для правильного прогноза скорости осадок сооружений.

Механизм консолидации

В общем случае при приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту первоначально возникает мгновенное сжатие, обусловленное упругими деформациями поровой воды и скелета грунта, затем начинается процесс фильтрационной (первичной) консолидации, обусловленный выжиманием воды из пор грунта, по завершении которого идет процесс вторичной консолидации грунта, определяемый медленным смещением частиц относительно друг друга в условиях незначительного отжатия воды из пор грунта (рисунок 7.21).

Рисунок 7.22 – Общий вид кривой консолидации водонасыщенного глинистого грунта (σ z = const):

0-1 – мгновенное сжатие; 1-2 – фильтрационная (первичная) консолидация; 2-3 – вторичная консолидация.

На рисунке 7.22 приведен общий вид консолидации водонасыщенного глинистого грунта при σ = const.

Одним из параметров консолидации грунтов является коэффициент консолидации (Сv ), характеризующий скорость процесса уплотнения, определяемого по формуле:

с v = K ф (1+ е ) / aρ в

где Кф – коэффициент фильтрации;

е – коэффициент пористости;

а – коэффициент сжимаемости;

ρ в – плотность воды; сv измеряется в см2 /с.

Высокая скорость консолидации (большие значения сv – порядка 10-2 …10-3 см2 /с) характерна для грубодисперсных (крупно- и мелкообломочных) грунтов. Пески уплотняются намного быстрее, чем глины, так как обладают большими коэффициентами фильтрации. Консолидация высокодисперсных грунтов идет наиболее медленно (низкие значения сv ≈ 10-5 …10-6 см2 /с), так как глины обладают малыми коэффициентами фильтрации, отжатие связанной воды в них происходит медленно и с трудом, обуславливая так называемые длительные или «вековые» осадки сооружений (рисунок 7.23). Продолжительность таких осадок может составлять несколько лет.

Рисунок 7.23 – Длительная осадка толщи илов в основании Каховской ГЭС

1-6 – илы в разных частях плотины

10. Понятие об эффективном и нейтральном давлениях

При прогнозе осадок грунтового массива величина внешнего давления является одним из важнейших параметров.

В процессе уплотнения водонасыщения глинистых грунтов не вся внешняя нагрузка передается на скелет грунта, а только ее часть, которая называется эффективным давлением (Pz ).

Вторая часть нагрузок (Pw ) направлена на отжатие из грунта воды, которая называется нейтральным или поровым давлением. Отсюда общее давление:

P = Pz + Pw

Понятие об эффективном и нейтральном давлениях распространяют и на любые нормальные напряжения, действующие в водонасыщенных грунтах. В общем случае можно написать:

σ = σ + и

σ = σ − и

т. е. эффективное напряжение σ в любой точке водонасыщенного грунта равно разности между полным σ и нейтральным и напряжениями.

11. Методика определения

Для изучения сжимаемости грунтов в настоящее время пользуются прибором типа прибора Терцаги (рисунок 7.24), с жесткими металлическими стенками, препятствующими боковому расширению образца при сжатии его вертикальной нагрузкой. Это так называемые одометры.

Рисунок 7.24 – Кольца Терцаги

Изучение сопротивления грунтов сжатию производится в условиях, близких к условиям работы грунта в результате возведения сооружения.

Нагрузка на прибор для передачи давления на образец осуществляется ступенями. Первая нагрузка при стандартных испытаниях образцов с ненарушенной структурой должна быть равна природной, т. е. весу толщи пород, залегающих выше места отбора образца.

Природное давление однородной толщи, залегающей выше уровня грунтовых вод, подсчитывается по формуле:

ρ ир . = 0,1 Н кГ / см2 .

Максимальная нагрузка для грунтов с ненарушенной структурой должна быть на 1–2 кГ/см2 больше суммы проектной нагрузки от сооружения и давления вышележащей толщи пород.

Каждую сообщаемую образцу грунта ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформации. За условную стабилизацию деформации принимают величину сжатия, не превышающую 0,01 мм за время:

– 30 мин. – для песчаных грунтов;

– 3 часа – для супесей;

– 12 часов – для суглинков и глин.

Осадка образца в процессе испытания определяется с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм, располагаемого на приборе.

Таким образом, деформационные свойства грунтов в целом можно характеризовать модулем деформации.

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 Е5МПА 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.)

Страница 27 из 34

НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

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	Обозначения характеристик	Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е , равном

Гравелистые и крупные	j n
Средней крупности	j n
	j n
Пылеватые	j n

Таблица 2

Нормативные значения удельного сцепления с n , кПа (кгс/см 2), угла внутреннего трения j n , град. и модуля деформации Е , МПа (кгс/см 2), пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

Наименование грунтов и пределы нормативных значений их		Обозна- чения характе- ристик	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е , равном
Показателя текучести
	0 £ I L £ 0,25	j n
	0,25< I L £0,75	j n
	0 < I L £ 0,25	j n
Сугли- нки	0,25 < I L £ 0,5	j n
	0,5 < I L £ 0,75	j n
	0 < I L £ 0,25	j n
	0,25 < I L £ 0,5	j n
	0,5 < I L £ 0,75	j n

Таблица 3

Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых грунтов

Присхождение и

Наименование грун-

Модуль деформации грунтов Е , МПа (кг/см 2), при коэффициенте пористости е , равным

возраст грунтов

тов и пределы норма- тивных значений их показателя текучести

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25< I L £0,5

0,5< I L £0,75

Четве- ртич- ные

аллюви- альные

0 £ I L £ 0,75

0,25< I L £0,5

0,5< I L £0,75

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £0,5

0,5< I L £0,75

Морен- ные

Суглинки

I L £ 0,5

Юрские отложе- ния оксфордского яруса

0,25 £I L £ 0

0< I L £ 0,25

0,25 < I L £0,5

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).

Содержание