МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

Общие положения

Действие внешних нагрузок вызывает перемещения в грунтовом основании и его деформацию. Поведение грунта под действием нагрузки определяют механические характеристики. Механические характеристики принято делить на две группы:

  • - деформационные характеристики, основными из которых являются Е (МПа) - модуль деформации иг- коэффициент Пуассона;
  • - прочностные характеристики, основными из которых являются (градус) - угол внутреннего трения и с (кПа) - удельное сцепление.

Существуют также другие деформационные и прочностные характеристики, используемые в различных моделях грунтовой среды.

Для решения практических задач в механике грунтов используют механику сплошной среды, в которой взаимодействие отдельных частиц отходит на второй план. Это считается вполне допустимым, когда представленный объем в 10 и более раз превышает размер частиц. Описание механических свойств ведется с помощью принципа «черный ящик», то есть используя входные и выходные данные, минуя изучение процессов контактного взаимодействия отдельных частиц, составляющих рассматриваемый объем.

Таким образом, данная система преобразовывается в систему, подходящую для математического описания.

В механике грунтов основным объектом изучения являются дисперсные песчаные и пылевато-глинистые грунты. Их сжимаемость во много раз больше сжимаемости составляющих их частиц, а прочность гораздо меньше.

Основные свойства, определяющие поведение грунтов, представлены в таблице 2.1.

Сжимаемость грунтов

Зависимость между внешним давлением Р и изменением коэффициента пористости е

Поведение грунтового основания под нагрузкой очень сильно зависит от условий его работы, которые в свою очередь определяются напряженно-деформированным состоянием грунта в различных зонах (точках) грунтового основания.

Механические свойства грунтов

Свойство

Закономерность

Показатель

Практическое приложение

Сжимаемость

Закон уплотнения e,=e0-m0Pi

/»() - коэф. сжимаемости (кПа-1); mv - котф. относительной сжимаемости (кПа1);

Е - модуль деформации (кПа)

Расчет перемещений в грунтовом основании и осадки фундаментов

Прочность (сопротивляемость сдвигу)

Условие прочности Закон Кулона(одноплоскостной срез) г - a xtgcp + c

Закон Кулона-Мора (плоская деформация) 0-1-<т,

-1-1-= Sin

+3 + 2с х ctg

(р - угол внутреннего трения (градус)

с - удельное

сцепление

(кПа)

Определение прочности, устойчивости грунтовых оснований.

Определение давления на ограждающие конструкции. Определение расчетного сопротивления R

Водопроницаемость

Закон ламинарной фильтрации

v(p=ix кф

кф - коэф. фильтрации cv - коэф. консолидации

Прогноз деформаций и несущей способности оснований и осадки фундаментов во времени

Структурнофазовая деформируемость грунтов

Принцип общей и линейной деформируемости

Е - модуль деформации (кПа); v - коэф. Пуассона;

(р - угол внутреннего трения (градус)

с - сцепление (кПа)

Определение напряженно - деформированного состояния грунтового основания

Деформирование грунта может происходить по трем основным схемам:

1) одноосное сжатие (рис. 2.1):

Одноосное испытание образца (по типу испытание на сжатие твердого образца)

Рисунок 2.1. Одноосное испытание образца (по типу испытание на сжатие твердого образца)

Такая схема возможна для скальных и полускальных пород и крайне редко для дисперсных грунтов, которые имеют малую прочность и при такой схеме связные грунты будут неограниченно деформироваться в горизонтальном направлении при незначительных вертикальных нагрузках, а сыпучие вообще не смогут быть испытаны по причине неспособности их в общем случае держать вертикальную стенку даже без внешней нагрузки.

  • 2) сжатие с ограничением возможности бокового расширения
  • (рис. 2.2):
Трехосное сжатие образца (по типу давления на грунт от фундамента)

Рисунок 2.2. Трехосное сжатие образца (по типу давления на грунт от фундамента)

Такая схема характерна для грунта в основании фундаментов относительно небольшой ширины (ленточные, столбчатые) или под краевыми зонами широких (плитных) фундаментов.

  • 3) сжатие без возможности бокового расширения (компрессия)
  • (рис. 2.3):
Компрессионное сжатие образца (по типу передачи равномерно распределенной нагрузки от фундамента больших размеров на слой грунта ограниченной мощности, ограниченный жестким основанием)

Рисунок 2.3. Компрессионное сжатие образца (по типу передачи равномерно распределенной нагрузки от фундамента больших размеров на слой грунта ограниченной мощности, ограниченный жестким основанием)

Характерна для грунта в срединной верхней зоне основания широких (плитных) фундаментов. Особенностью является наличие соседних зон грунта, у которых также отсутствует возможность бокового расширения.

При уплотнении грунта происходит переупаковка частиц - они сближаются, из пор выдавливается вода и воздух. Особенностью процесса уплотнения глинистых грунтов является длительность (годы, десятилетия и в некоторых случаях столетия).

Для исследования свойств грунтов, в рамках работ по инженерногеологическим изысканиям отбирается грунт ненарушенной структуры. На небольших глубинах, например, в условиях реконструкции, грунт отбирается из шурфов путем вырезки из массива требуемых монолитов. В общем случае грунтовые монолиты отбираются с требуемой глубины с помощью специальных пробоотборников из скважины (рис. 2.4).

Грунтонос подрезающий

Рисунок 2.4. Грунтонос подрезающий: а- в разрезе, б - вид грунтоноса в натуре

Наиболее распространенным стандартным прибором для изучения сжимаемости грунта является компрессионный прибор (одометр) (рис. 2.5, 2.6). Для уменьшения влияния сил трения по боковой поверхности на поведение образца грунта под нагрузкой, отношение диаметра образца к высоте должно быть в соотношении d/ h> 3-5-4.

Схема одометра компрессионного прибора

Рисунок 2.5. Схема одометра компрессионного прибора

Лабораторные испытания грунта в одометре

Рисунок 2.6. Лабораторные испытания грунта в одометре

Помещенный в одометр образец грунта перед испытанием выдерживают под давлением, равным бытовому на данной глубине, для приведения образца в состояние, близкое к исходному в природных условиях, с достижением стабилизации показаний индикаторов вертикальных перемещений. К образцам, находящимся в природных условиях в водонасыщенном состоянии, подводится вода. Затем ступенями прикладывается вертикальная нагрузка. При стабилизации значений вертикальных деформаций на каждой ступени, соответствующей /?,, вычисляется соответствующий данной ступени нагружения коэффициент пористости е, и строится график e=f(p), который называют компрессионной кривой (рис. 2.7).

Компрессионная кривая

Рисунок 2.7. Компрессионная кривая

Начальный коэффициент пористости:

где п - объем пор; ms - объем скелета грунта.

В единице объема грунта: п + ms= 1.

Так как принято считать, что частицы грунта практически несжимаемы, изменение объема грунта может идти только за счет уменьшения объема пор - п. Соответственно и коэффициент пористости будет уменьшаться за счет уменьшения пористости.

где i - ступень нагрузки.

Изменение объема пор на г-ступени численно равно объему равному произведению осадки штампа одометра j,- на его площадь F:

Учитывая, что п + ms = 1 и п = ео х ms, ms , в единице объема и,

1 + е

следовательно, в объеме образца:

Таким образом, коэффициент пористости с учетом изменения пористости на /-ступени нагрузки (2.3) и (2.4), вычисляется по формуле: Si х F(l + e0)

et = е()!-—, следовательно:

hxF

В соответствии с зависимостью (2.5) строят компрессионную кривую, которая графически выражает закон уплотнения грунта под внешней нагрузкой (рис. 2.8).

Схема к определению характеристик сжимаемости грунта

Рисунок 2.8. Схема к определению характеристик сжимаемости грунта

Характеристики сжимаемости (деформируемости) грунта находят из рассмотрения точек на оси давления (рис.2.8), как правило, расположенных с интервалом 0,1 МПа (1кгс/см2).

Отношение изменения коэффициента пористости к приращению давления называют коэффициентом сжимаемости т0 =de I dp, т. е.

В стандартных отчетах по инженерно-геологическим изысканиям то определяется, как правило, в интервале 0,1-0,3 МПа, однако согласно графику, сжимаемость грунта существенно зависит от уровня давлений, что должно учитываться при проектировании оснований и фундаментов зданий и сооружений.

Таким образом, в соответствии с рисунком 2.8, коэффициент пористости на /-ступени нагрузки вычисляется по формуле:

При расчетах используют коэффициент относительной сжимаемости:

Соответственно ту=——-—, учитывая, что согласно (2.5) dp + е0

S- S?

de = —(l + e0), mv=—'?—. Коэффициент mv равен относительной осадке, h hx Pi

отнесенной к действующему давлению и по своей сути коэффициент ту аналогичен величине обратной модулю упругости ME, по закону Гука:

Е = °.

8

В условиях компрессии: ех = еу = 0; р = z (рис. 2.9). При этом горизонтальные напряжения не равны нулю, так как в горизонтальном направлении стеснена деформация: ех = еу = 0.

В соответствии с законом Гука: Компрессионное испытание образца

Рис)шок 2.9. Компрессионное испытание образца

Таким образом, в силу равнозначности направлений X и Y следует:

х = crv = v0 —, где У° = ?0 - коэффициент бокового давления, пока- l-^o l~vo

зывающий отношение горизонтального (бокового) давления в грунте по

отношению к действующему вертикальному и соответственно: v0 = .

1 + ?о

Таким образом, в случае оборудования компрессионного прибора датчиками бокового давления, могут быть найдены коэффициент бокового давления и коэффициент Пуассона v0. Также данные коэффициенты определяются в результате стабилометрических испытаний грунта, в приборах трехосного сжатия. Природа данных коэффициентов такова, что v0 лежит в пределах от 0 до 0,5; ?0 в пределах от 0 до 1. Следует сказать, что для песчаных грунтов (по Цытовичу Н.А.) = 0,25...0,37, для глинистых

грунтов коэффициент бокового давления сильно зависит от консистенции = 0,11...0,82. Для песчаных грунтов v0 = 0,2...0,27, для глинистых грунтов v0 = 0,1...0,45. Чем ближе грунт по консистенции к текучему состоянию (к свойствам тяжелой жидкости), тем больше и v0 (для жидкости 4 = 1, v0 = 0,5).

В глинистых грунтах, за счет связности, боковое давление начинает появляться только при определенном значении вертикального давления, в сыпучих грунтах, как правило, сразу с появлением вертикального давления (рис. 2.10).

График отношения бокового давления к вертикальному

Рисунок 2.10. График отношения бокового давления к вертикальному

Значения коэффициента Пуассона v0 для различных грунтов приведены в СП 22.13330.2011, однако их следует применять с большой осторожностью и отдавать предпочтение значениям, полученным экспериментальным путем.

Коэффициент Пуассона v0 является важной механической характеристикой, существенно влияющей на деформируемость грунтового основания.

Коэффициент бокового давления - очень важная характеристика, которая используется при определении давления грунтов на подпорные ограждающие конструкции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >