Основании характеристик грунта и параметров. Основные деформационные характеристики грунтов

Введение

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

4 Определение модуля деформации по физическим характеристикам

5 Определение модуля деформации по данным статического зондирования

6 Коэффициенты перехода от компрессионного модуля деформации к штамповому

7 Определение прочностных характеристик по физическим характеристикам

Приложение Б

Как определяют прочность?

Какие нагрузки выдерживает здание

Лабораторные испытания прочности грунта

Когда проводят исследование

Приборы для определения прочности

Прочность грунтов: характеристики

Что влияет на прочность грунта?

Определения

Категории

Выбор редакции

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

Деформационные
и прочностные характеристики
юрских глинистых грунтов Москвы

СТО 36554501-020-2010

Москва

Предисловие

Сведения о стандарте:

1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН лабораторией электротехнических технологий (зав. лабораторией - канд. техн. наук Х.А. Джантимиров) НИИ-ОСП им. Н.М. Герсеванова - института ОАО «НИЦ «Строительство» вед. науч. сотр., канд. техн. наук О.И. Игнатовой

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ приказом генерального директора ОАО «НИЦ «Строительство» от 10 февраля 2010 г. № 27

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

В связи с интенсивным развитием в последние годы строительства в Москве зданий повышенной этажности и высотных с глубокой подземной частью и подземных сооружений возникла необходимость в оценке строительных свойств грунтов, залегающих на больших глубинах. К этим грунтам относятся грунты юрского, мелового и каменноугольного периодов.

Оценка характеристик этих грунтов на основе статистического обобщения накопленных архивных данных инженерно-геологических изысканий является актуальной задачей.

Для выполнения работы был проведен сбор архивных материалов лабораторных и полевых испытаний дочетвертичных грунтов Москвы из отчетов по инженерно-геологическим изысканиям 40 организаций, проводящих изыскательские работы на территории города, поступивших в институт по конкретным объектам проектирования.

В настоящем стандарте приводятся результаты исследований для юрских J 3 глинистых грунтов.

Результаты исследований связи модуля деформации по данным штамповых испытаний с удельным сопротивлением грунта под конусом зонда для юрских глин Москвы приведены в работе , но они основывались на небольшом статистическом материале.

На основе проведенных исследований для юрских глинистых грунтов составлены таблицы нормативных и расчетных значений прочностных и деформационных характеристик и установлены коэффициенты перехода от компрессионных модулей деформации к штамповым. Для этих грунтов получено также уравнение для оценки модуля деформации по результатам статического зондирования. Результаты проведенных исследований опубликованы в работе .

Эти результаты рекомендуется использовать в практике инженерно-геологических изысканий, проектирования и устройства оснований и фундаментов, что позволит повысить достоверность деформационных и прочностных характеристик, используемых в расчетах оснований.

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЮРСКИХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ МОСКВЫ

Deformation and strength characteristics
of Jurassic clay soils in Moscow

Дата введения 2010-02-25

1.1 Настоящий стандарт распространяется на определение деформационных и прочностных характеристик юрских J 3 глинистых грунтов Москвы. Эти грунты были представлены следующими отложениями: J 3 ν - волжский ярус; J 3 ox - оксфордский ярус и J 3 cl - келловейский ярус. В табл. приведены диапазоны изменения и средние значения основных физических характеристик грунтов указанных отложений.

1.2 Стандарт предназначен для определения нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов по таблицам и уравнениям в зависимости от их физических характеристик и данных статического зондирования.

1.3 Таблицы и уравнения для определения нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется применять для предварительных расчетов оснований и фундаментов зданий и сооружений I уровня ответственности и окончательных расчетов оснований и фундаментов зданий и сооружений II и III уровней ответственности.

Индекс	Характерные значения	ρ , т/м 3	e	w L , %	I p , %	I L	h , м
J 3 ν		1,72	0,48			0,25
		2,14	1,14			0,90
	Среднее	1,92	0,77			0,29
J 3 ox		1,62	0,82			0,26
		1,93	1,52			0,40
	Среднее	1,75	1,20			0,04
J 3 cl		1,74	0,60			0,36
		2,04	1,22			0,35
	Среднее	1,84	0,98			0,06

Статическое зондирование грунтов выполнялось зондом II типа в соответствии с ГОСТ 19912 .

Компрессионные испытания грунтов выполнялись в соответствии с ГОСТ 12248 для грунтов природной влажности. Для исследований были использованы результаты испытаний с конечной вертикальной нагрузкой р ≥ 0,5 МПа. Значения компрессионных модулей деформации вычислялись в диапазоне нагрузок 0,2 - 0,5 МПа.

Значения φ и с определялись по данным консолидированно-дренированных испытаний на срез грунтов природной влажности в соответствии с ГОСТ 12248 .

Физические характеристики грунтов определялись в соответствии с ГОСТ 5180 .

3.3 Для составления таблиц нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов при статистической обработке материалов использован аппарат корреляционно-регрессионного анализа, позволяющий установить корреляционные связи и уравнения регрессии между механическими характеристиками Е , φ и с с одной стороны и физическими характеристиками и данными статического зондирования q с другой. Теснота связи характеризуется коэффициентом корреляции R и средним квадратическим (стандартным) отклонением S (приложение ).

При корреляционном анализе использованы следующие физические характеристики: число пластичности I р как показатель вида или глинистости грунта; коэффициент пористости е как показатель плотности грунта в природном залегании и показатель текучести I L как показатель состояния грунта по консистенции.

3.4 Исследования корреляционных связей выполнены между нормативными значениями механических и физических характеристик и сопротивления зондированию q , определенными как среднее арифметическое значение частных значений для выделенных при изысканиях инженерно-геологических элементов (ИГЭ) (ГОСТ 20522).

Для определения нормативных и расчетных значений Е , φ и с по таблицам и уравнениям необходимо использовать нормативные значения физических характеристик и сопротивления зондированию q для ИГЭ.

4.1 Нормативные значения полевого модуля деформации Е следует принимать по уравнению () или табл. , составленных на основе статистической обработки результатов испытаний грунтов штампом и прессиометром (рис. ).

Показатель текучести I L	Нормативные значения модуля деформации Е , МПа, при коэффициенте пористости е , равном
Показатель текучести I L	0,6 - 0,7	0,8 - 0,9	1,0 - 1,1	1,2 - 1,3	1,4 - 1,5
0,25 ≤ I L ≤ 0
0 < I L ≤ 0,25
0,25 < I L ≤ 0,5
0,5 < I L ≤ 0,75

Рисунок 1 - Зависимость модуля деформации по данным штамповых (Е m ) и
прессиометрических (E n ) испытаний (n ИГЭ = 75; n i = 280) от коэффициента
пористости е и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов:
I L :1 - (-0,25); 2 - 0,0; 3 - 0,25; 4 - 0,5; 5 - 0,75

5.1 Нормативные значения полевого модуля деформации Е следует принимать в зависимости от удельного сопротивления грунта под конусом зонда q по уравнению (), полученному на основе статистической обработки результатов испытаний грунтов штампом, прессиометром и статическим зондированием (рис. ).

Рисунок 2 - Зависимость модуля деформации Е по данным штамповых
и прессиометрических испытаний от удельного сопротивления грунта
под конусом зонда q :
экспериментальные точки: 1 - для J 3 ox ; 2 - для J 3 ν ; 3 - зависимость Е = f (q )

6.1 Коэффициенты перехода m k от компрессионного модуля деформации к штамповому следует принимать или в зависимости от коэффициента пористости е и показателя текучести I L (табл. ), или в зависимости от числа пластичности I р и показателя текучести I L (табл. ).

Показатель текучести I L	Значения коэффициента m k при коэффициенте пористости е , равном
Показатель текучести I L	0,6 - 0,8	0,9 - 1,1	1,2 - 1,5
0,25

0,25

0,75

Показатель текучести I L	Значения коэффициента m k при числе пластичности I p равном
Показатель текучести I L	≤ 7	8 - 17	18 - 30	31 - 50
0,25

0,25

0,75

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента m k от коэффициента пористости е
и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов
(n = 32; m k = 2,47 + 0,53е - 1,60I L ; R = 0,79; S = 0,42):
I L :

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента m k от числа пластичности I р
и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов
(n = 32; m k = 2,51 + 0,02I р - 1,24I L ; R = 0,83; S = 0,38):
I L :1 - (-0,25); 2 - 0,0; 3 - 0,25; 4 - 0,5; 5 - 0,75

При использовании коэффициентов m k по табл. и для корректировки компрессионных модулей деформации последние должны вычисляться в диапазоне вертикальных давлений 0,2 - 0,5 МПа, а значения коэффициента β , учитывающего невозможность бокового расширения грунта в компрессионном приборе, составлять 0,4 - для глин, 0,62 - для суглинков и 0,72 - для супесей.

7.1 Нормативные значения прочностных характеристик юрских глинистых грунтов - угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с , полученных по результатам консолидированно-дренированных (КД) испытаний грунтов на срез, следует определять в зависимости от числа пластичности I р и показателя текучести I L по уравнениям () и () или табл. (рис. и ):

Показатель текучести I L	Обозначение характеристики	Нормативные значения φ ° и с , кПа, при числе пластичности I р , %, равном
Показатель текучести I L	Обозначение характеристики	≤ 1	8 - 17	18 - 30	31 - 40	41 - 50
0,25 ≤ I L ≤ 0	φ °
0,25 ≤ I L ≤ 0	с , кПа
0 < I L ≤ 0,25	φ °
0 < I L ≤ 0,25	с , кПа
0,25 < I L ≤ 0,5	φ °
0,25 < I L ≤ 0,5	с , кПа
0,5 < I L ≤ 0,75	φ °
0,5 < I L ≤ 0,75	с , кПа

7.2 Расчетные значения φ и с следует вычислять исходя из нормативных значений (табл. ), уменьшая их на величину доверительного интервала Δ, вычисленного по методике прил. 2 СТО при доверительной вероятности α = 0,85 и α = 0,95 (СП 50-101).

Доверительный интервал Δ для φ и с составляет:

Δφ = 1° Δс = 7 кПа (при α = 0,85);

Δφ = 2° Δс = 11 кПа (при α = 0,95).

Рисунок 5 - Зависимость угла внутреннего трения φ ° от числа пластичности
I р и показателя текучести I L Приложение А

J 3 v - верхнеюрские отложения волжского яруса

J 3 ox - верхнеюрские отложения оксфордского яруса

J 3 cl - верхнеюрские отложения келловейского яруса

ρ - плотность грунта

е - коэффициент пористости грунта

I р - число пластичности грунта

I L - показатель текучести грунта

h - глубина отбора образца грунта или испытания штампом (прессиометром)

Е ш - модуль деформации по результатам штамповых испытаний

Е п - модуль деформации по результатам прессиометрических испытаний

q - удельное сопротивление грунта под конусом зонда при статическом зондировании

КД - консолидированно-дренированный срез грунта

R - коэффициент корреляции

S - среднее квадратичное отклонение (стандартное отклонение)

Для исследования взаимосвязей между механическими у и физическими х i характеристиками использовался аппарат корреляционно-регрессионного анализа. Вычисления производились на компьютере по стандартной программе, которая предусматривает построение методом наименьших квадратов линейной зависимости вида

Для аппроксимации нелинейной зависимости чаще всего используются полином 2-й или 3-й степени или уравнение (). Однако в связи с тем, что статистические оценки в теории корреляции разработаны только для линейных зависимостей, нелинейные зависимости должны быть преобразованы в линейные путем замены переменных.

m - среднее число определений φ и с в ИГЭ;

n - общее число нормативных значений φ и с (общее число ИГЭ);

d 2 - функционал, характеризующий изменение ширины доверительного интервала вдоль зависимости.

Следует отметить, что значение d 2 /n при тех значениях n , которые имели место в исследуемой выборке опытных данных, получалось пренебрежимо малым.

Расчетные значения φ и с вычислены при доверительных вероятностях α = 0,85 и α = 0,95, регламентированных

Прочность грунта определяет его способность удерживать строение в вертикальном положении. От прочностных характеристик зависит, насколько глубоким должен быть фундамент, насколько высоким может быть строение. Прочность грунтового основания обеспечивает вертикальное положение стен, отсутствие наклонов, трещин, просаживаний и других капитальных разрушений. Как определяются прочностные характеристики для грунтов? Какие приборы и методы используются для исследования качества грунтов перед капитальным строительством?

Для определения прочности любого материала его подвергают воздействию нагрузки и отслеживают наличие и размер деформаций после нагружения. В зависимости от деформационных свойств, материал может выдерживать определённую нагрузку без изменений размеров и формы или деформироваться под воздействием внешних сил.

Почва или грунт – это материалы, у которых есть определённая прочность и стойкость к деформациям. Плотная почва (глина) хорошо держит нагрузку и не деформируется. Сыпучий грунт (песок) нагрузки не выдерживает, сдвигается и вызывает разрушение стен строения. Кроме того, способность не деформироваться под нагрузкой зависит от состояния грунта (насыщенности водой, промерзания). Какие нагрузки должен выдерживать грунт под фундаментом здания?

Здание испытывают воздействие вертикальных нагрузок (давление атмосферы, снега, дождя) и горизонтальных нагрузок (давление ветра). Поэтому испытание на лабораторных приборах определяет способность образцов грунта выдерживать вертикальные и горизонтальные нагрузки. В ходе испытаний также определяется критическое значение, при котором образец грунта разрушается (сдвигается, получает значительную деформацию или рассыпается).

Среди прочностных характеристик грунтов наиболее важна стойкость к касательным (сдвигающим) деформациям (горизонтальным нагрузкам).

Для определения прочностных характеристик грунтов проводят лабораторные испытания грунтовых проб на специальных приборах. Способы и методы исследований определяются ГОСТом 12248-96.

Чаще испытание проводят на приборе, который прилагает усилие сдвига в одной плоскости. Такое исследование называют «методом одноплоскостного среза». Сначала к образцам грунта (не меньше 3-х) прикладывают горизонтальную сдвигающую нагрузку и наращивают её до разрушения образца. После, к трём другим образцам грунта прикладывают вертикальную нагрузку и также наращивают её до разрушения образца.

Медленное наращивание нагрузки увеличивается с шагом 0,1а (где «а» – атмосферное давление). Нагрузку наращивают до тех пор, пока образец не разрушится или пока его деформация (сдвиг) не превысит 5 мм.

Данные исследований заносят в график, где вдоль осей обозначают размер нагрузки (сдвигающего усилия) и величину сдвига. По данному графику определяют внутреннее трение грунта, удельное сопротивление срезу и его удельное сцепление.

Полученные показатели сравнивают с обозначенными допустимыми характеристиками грунтов, указанными в ГОСТе. После выносят рекомендации о возможности строительства здания на данном грунте.

Исследование прочностных характеристик грунтов проводится в ходе геолого-разведывательных работ перед строительством здания. Особенно это важно для высотных многоэтажных построек, которые имеют значительный вес и должны выдерживать большие ветровые нагрузки.

Забор грунта для испытаний на приборах называют монолитом. Его берут из шурфов – скважин, глубина которых равна глубине фундамента будущего дома. Пробу грунтов берут через каждые 1-2 м вдоль всей глубины шурфа. В качестве образцов для исследований берут пробы с неразрушенной внутренней структурой грунта (без перекапывания, рыхления и др.).

Испытания на приборах проводят на образцах в сухом и водонасыщенном (намокшем) состоянии, а также на предварительно уплотнённых образцах или без их предварительного уплотнения.

Геодезическая разведка. Так выглядит проба грунта

Для лабораторных исследований используются следующие приборы:

Устройство компрессионного сжатия ГТ1.1.4 – измеряет деформируемость, просадочность почвы.
Установки трёхосного сжатия ГТ0.3.10., ГТ0.3.13., ГТ0.3.14.
Установки для одноплоскостного среза ГТ0.2.1., ГТ1.2.9.
Установка предварительного уплотнения образцов ГТ1.2.5. и прибор для уплотнения ГТ1.4.1
Установки одноосного сжатия ГТ0.5.3., ГТ0.5.4
Установки сжатия и растяжения для исследования скальных грунтов ГТ0.6.3., ГТ0.6.4.
Установка одноплоскостного среза для мёрзлого грунта ГТ0.2.2.
Приспособления для подготовки образцов.

С помощью лабораторных исследований определяют прочностные характеристики грунта.

Деформационные свойства почвы измеряются следующими показателями:

Прочность грунта – способность сопротивляться внешнему воздействию – оценивается пределом прочности на одноосное сжатие (максимальной нагрузкой, которую грунт выдерживает без разрушения). Измеряется в МПа.
Угол трения – зависит от вида грунта, для песчаников равен 25-45 единиц, для пылеватых глин – от 7 до 30 единиц. Также показателем прочностных характеристик грунта является коэффициент внутреннего трения.
Удельное сцепление – сопротивление удельных связей внутри грунта перемещению его частиц. Измеряется в кПа или кгс/см 2 .
Модуль деформации Е (характеристика жёсткости грунта) – коэффициент зависимости деформации от напряжения.

Характеристики прочности грунта могут изменяться в зависимости от времени года, водонасыщения, температуры.

Что влияет на деформационные характеристики грунтов:

Гранулометрический состав грунта (размер его частиц). Чем мельче частицы, тем выше плотность и ниже деформационные свойства.
Пористость почвы (чем плотнее почва, тем выше её прочностные характеристики и ниже способность деформироваться под нагрузкой).
Влажность грунта (намокание грунта снижает характеристики прочности).
Колебания подземных вод (подъём их уровня снижает прочностные свойства грунта).

Работа геодезистов – начало строительства

Определение деформационных свойств грунтов требует профессиональных знаний и геологических расчетов.

Прочностные и деформационные характеристики грунтов обновлено: Февраль 26, 2018 автором: zoomfund

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 "

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

Исследования деформационных характеристик грунтов направлено на определение возможности удерживать без проседания и изменения целостности как части конструкции, так и всего строения. На стадии проекта изучение данных характеристик является основным, так как именно такие исследования определяют необходимый вид фундамента и его глубину. Также особенности устойчивости грунтов оказывают прямое влияние, насколько высоким может быть будущее строение.

Важность таких исследований очень велика. В случаях проведения некорректного исследования, полученные данные, могут привезти к нарушению целостности здания или его полному разрушению. Устойчивость к деформациям грунта напрямую оказывает влияние на наклон, появление трещин, просадки фундамента и других негативных явлений.

Определение несущей способности

Определение несущей способности грунта происходит через использование нагрузок и отслеживанием всех происходящих деформаций. Опытным путем устанавливается, какие будут получены результаты от нагрузок разной степени. Так определяется степень деформационных характеристик грунта при различных нагрузках. И определяется нагрузка, при которой никаких значительных деформаций не произошло.

В зависимости от вида грунта деформационные характеристики получаются различными. Так глина практически не имеет деформаций при различных нагрузках, в то время как, песок не выдерживает нагрузки и сдвигается. Такой сдвиг вызывает разрушение фундамента, стен, проседания одной ил нескольких сторон.

Сама прочность грунта имеет сильную зависимость от того, в каком состоянии она находиться (насыщенность влагой, температура и т.д.).

Сила воздействия

В проведении испытаний является значительным не только изучение степени переносимого напряжения от массы здания или конструкции. Значительными условиями для расчета являются силы, воздействующие на само здание. В период эксплуатации постоянно оказывают влияние такие дополнительные силы, как:

давление атмосферы;
дополнительная масса от осадков;
ветер.

На уровне лабораторных испытаний устанавливается максимальная и безопасная степень воздействия горизонтальных и вертикальных нагрузок. Так определяется несущая способность грунтов и уровень опасности, который следует предусмотреть на случай чрезвычайных последствий. Во время заключения по таким испытаниям главным показателям является устойчивость к сдвигающим деформациям, что и приводит к изменениям целостности и разрушениям.

Изучение образцов грунта

Для точного определения деформационные характеристики грунтов , проводятся специальные испытания. Проведение исследований регламентировано и имеет ряд определенных методов и оборудования, которое соответствует соответствующему ГОСТу № 12248-96.

Одним из основных регламентированных методов исследования является метод «одно плоскостного среза». Специальный прибор производит сдвиг одной части по отношению у другой. Так определяется главная характеристика деформации грунта.

Для проведения испытаний используется не меньше 3-х образцов грунта. Используемые образцы подвергаются сдвигающей силе, которая с каждым этапом нарастает и в конечном итоге приводит к деформации. В первоначальных этапах проверяется горизонтальная прочность перед сдвигами. На второй стадии такой же процесс с тремя образцами проводят для определения сдвигающей деформации по горизонтали.

Шаг изменения нагрузки происходит в 0,1 атмосферы. Процесс исследований прекращается при разрушении грунта или сдвига в полсантиметра.

Все лабораторные результаты заносятся в график, где и устанавливается удельное сцепление и сопротивление грунту.

Все полученные результаты опытных испытаний и средние расчетные сравниваются с установленным государственным стандартам для строения здания.

Период проведения исследований

Проведение исследований на деформационные характеристики обязано проходить на этапе изыскательных работ, на этапе проектирования будущей постройки. Проведение испытания несущей способности грунта обязательно для постройки любых зданий и сооружений, особенно важно для зданий с большим количеством этажей.

Забор проб производится специальным оборудованием с помощью шурфов. Шурф представляет собой забуренную скважину на глубину, откуда будет начинаться заливка фундамента. Проведение взятия проб грунта обязательно производится таким методом, так как при вскапывании происходи разрыхление и перемешивание. Взятие проб производят по всей длине шурфа через каждый метр. Для испытаний подходят только целостные пробы.

Сами исследования проводятся на грунте в различных состояниях: повышенной влажности, нагретом, минимального количества влаги, замершем, уплотненном, неуплотненном.

Основные расчеты несущей способности грунтовых пород

Деформация грунта определяется с помощью определенных значений:

прочность – противостояние воздействию извне. Измеряется максимальным пределом. За предел принимается максимально переносимое напряжение без нарушения целостности;
угол трения – каждый вид породы имеет свой угол трения;
сцепление – сила связей между частичками грунта;
модуль деформации – выражает через отношение деформации и напряжения.

Все характеристики имеют различные значения при определенных изменениях состояния грунта.

Влияние на деформации

На деформации грунта влияет несколько определенных факторов:

размер частиц грунта – чем меньше частицы, тем выше плотность;
пористость – чем больше расстояние частиц друг от друга, тем ниже прочность грунта;
влажность – повышенная влажность снижает предельное значение прочности;
подземные воды – наличие большого водного фронта и его сезонные колебания влияют на прочность грунта;
резкие погодные изменения – при цикличном и резком переходе от теплого состояния к более холодному (точнее 0 °С и ниже) может происходить сдвиг в определенных областях грунта.

Все факторы влияние обязаны быть приняты к сведенью в процессе определения основных рекомендаций по строительству и закладке фундамента под здание.

Виды грунта, подлежащие обязательному исследованию

В целом для обеспечения полной безопасности строительства и эксплуатации здания проведение исследований на деформации рекомендовано для всех видов грунта. Так можно определить возможные сложности, которые повлияют на эксплуатацию и строительство объекта. Проведение обязательных испытаний на деформации согласно государственного стандарта определено для:

крупнообломочных грунтов;
песков;
глинистых пород;
органоминеральных грунтов;
органических грунтов;
засоленных грунтов.

Данные виды грунта являются особо подверженными для деформаций своих несущих характеристик. Это связано с их особенностями проявления физических свойств при возникновении внешних факторов. Крупнообломочные и пески не имеют высокой прочности и для них характерен сдвиг под нагрузкой, а это мгновенно вызывает разрушение фундамента, проседание и перекос стен и как следствие полное разрушение. Также все перечисленные виды грунта особо подвержены изменению своих свойств при намокании. Все грунты имеют либо не высокую плотность, что при намокании приводит к провалам, либо в них присутствуют растворимые примеси. Именно поэтому точное определение деформационных характеристик грунтов данной категории является обязательным. После исследования разрабатывается список рекомендаций по устранению возможных проседаний и уплотнению грунта. Только основываясь на полноценное исследование, производится план мероприятий по предотвращению низких показателей прочности грунта.

Также обязательным является проведение данных испытаний для строительства высотных многоэтажных зданий, у которых повышенная нагрузка конструкции и увеличенная нагрузка горизонтального и вертикального воздействия. При неучтенных обстоятельствах с плотностью и несущей способностью грунта, фундамент может не соответствовать требуемой нагрузке. Такая ситуация может привести к обрушению или завалу здания на бок. Попытка сэкономить может привести не только к потере объекта, но и к потере человеческих жизней.

Наша работа

Компания «Геодата» предлагает исследование деформационных исследований грунта , а также весь спектр инженерно-геодезических изысканий на индивидуальных условиях. Благодаря большому опыту работы и крепким партнерским связям мы разработали гибкую систему цен, которые подойдут каждому. Работа выполняется только профессионалами свое дела, а в компанию приходят из лучших университетов страны.

Мы производим весь комплекс изысканий согласно установленным государственным стандартом с передачей всех необходимых заключений и документации во многих регионах страны.

Если у Вас есть к нам вопросы, просто свяжитесь с нами по указанному номеру или напишите на нашу электронную почту. Также Вы всегда можете заказать звонок с сайта, и наши специалисты проконсультируют Вас по всем интересующим вопросам.

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.

h of − h o