Учебное пособие для студентов заочной формы обучения строительных специальностей Санкт-Петербург 2011




страница1/5
Дата14.08.2016
Размер0.86 Mb.
  1   2   3   4   5


Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

(ФГОУ ВПО СПбГАУ)
Кафедра « Строительные конструкции »

С.Г. КОЛМОГОРОВ, С. С. КОЛМОГОРОВА, П. Л. КЛЕМЯЦИОНОК

Механика грунтов
Учебное пособие

для студентов заочной формы обучения

строительных специальностей

Санкт-Петербург – 2011


  • Оглавление


Стр.1.Программа дисциплины «Механика грунтов» и рекомендуемая литература. 32.Методические указания по изучению механики грунтов. 43.Конспект лекций по механике грунтов3.1. Основные виды грунтов, их характеристика и физические свойства 53.2.Основные закономерности деформирования и прочности грунтов 103.3.Определение напряжений в грунтах и расчет осадок 203.4.Теория предельного напряженного состояния грунтов и ее приложения 294.Задания на контрольную работу, примеры решения задач. 39

  • 1. Программа дисциплины «Механика грунтов»

  • и рекомендуемая литература

1. Предмет и задачи механики грунтов, связь с другими дисциплинами.

2. Виды грунтов. Характеристики состава и состояния грунтов, классификации по ним. Условное расчетное сопротивление грунта. Структура, текстура, структурные связи в грунтах. Виды воды в грунтах. Закон фильтрации. Структурно-неустойчивые грунты.

3. Напряженно-деформированное состояние (НДС) грунтов. Виды НДС грунта в основаниях. Особенности деформирования грунта, стадии деформирования. Деформативные характеристики.

4. Компрессионное сжатие. Закономерность уплотнения. Определение коэффициента сжимаемости и модуля деформации в условиях компрессионного сжатия. Другие методы определения деформативных характеристик.

5. Прочность грунтов. Закон Кулона. Условие предельного равновесия. Прочностные характеристики, их определение.

6. Определение напряжений в грунтах от различных нагрузок. Напряжения от собственного веса грунта.

7. Деформации грунтов. Методы расчета стабилизированных осадок.

8. Критические давления на основания. Определения первого критического давления, расчетного сопротивления основания и второго критического давления или предельной нагрузки.

9. Устойчивость откосов. Откос, сложенный несвязным грунтом. Предельная высота вертикального откоса. Расчет устойчивости откосов по способу круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

10. Давление грунтов на ограждения и подпорные стенки. Виды давления. Определение давления на гладкую вертикальную подпорную стенку с горизонтальной поверхностью засыпки (эпюры, формулы).

  • Рекомендуемая литература

  • Основная


1. Механика грунтов, основания и фундаменты. Учебное пособие для вузов. Под редакцией С.Б. Ухова. М.: АВС, 1997.

2. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов. - М.: Высш. шк,, 1997.

3. Далматов Б.И. и др. Механика грунтов. Ч. 1. Основы геотехники в строительстве. – М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2000.


  • Дополнительная


1. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация

2. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1981.


  1. Методические указания по изучению механики грунтов

При самостоятельном изучении дисциплины следует использовать краткий конспект лекций, помещенный в данном учебном пособии, а также разделы по механике грунтов учебников, имеющихся в библиотеке СПбГАУ [1, 2].

По отдельным темам приведенной выше программы полезно учесть следующее.

Темы 1, 2. Механика грунтов тесно связана прежде всего с инженерной геологией, изучающей грунты как природные образования. Механика грунтов дает возможность описания механического поведения грунтов, их сжимаемости и прочности. Это возможно только на базе всестороннего учета природы и физических свойств грунтов, изученных ранее в разделе инженерной геологии «Грунтоведение».

Темы 35 дают основные закономерности сжимаемости и прочности грунтов, установленные экспериментально и обобщением опыта строительства. В них проявляется связь механики грунтов с фундаментальными механическими дисциплинами: теоретической механикой и механикой деформируемого твердого тела. Используются условия равновесия, разложение сил, понятия деформаций и напряжений, круги Мора и др.

В дополнение к материалу указанных тем, требуется знание методов определения физико-механических показателей грунтов. Это достигается сознательным выполнением лабораторных работ в учебной лаборатории. В конспекте лекций техника испытаний не рассматривается.



Темы 6,7 посвящены определению напряжений в грунтах и расчету осадок. Грунт при этом рассматривается как линейно-деформируемая среда. Поэтому для определения напряжений используются решения теории сплошных тел. Но непосредственное использование этих же решений для расчета осадок оснований фундаментов возможно только в редких случаях. Чаще применяются приближенные инженерные методы – как, например, рассмотренный в конспекте метод послойного суммирования с условным ограничением сжимаемой толщи.

Темы 810. Теория предельного напряженного состояния грунтов (или теория предельного равновесия) широко используется для определения предельных нагрузок на основания, при анализе устойчивости разнообразных взаимодействующих с грунтом конструкций (анкера, сваи, ограждения и т.д.) и массивов грунта. В прилагаемом конспекте материал по этим темам дан в минимальном для понимания объеме.

  • 3. Конспект лекций по механике грунтов

  • 3.1. Основные виды грунтов, их характеристика и физические свойства

  • 3.1.1. Краткая характеристика основных классов грунтов

Грунты – любые горные породы, используемые как материал, основание сооружения или среда его размещения. При строительстве сооружения требуется знание свойств взаимодействующих с ним грунтов. По строительным свойствам (сжимаемость, прочность и др.) грунты делят на: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые и особые.



Скальные представлены магматическими, метаморфическими или осадочными породами с прочными жесткими связями между минеральными зернами. Они обычно представляют собой прочное и надежное основание.

Однако из-за выветривания верхний слой скалы иногда представляет собой подобие сухой кладки. При строительстве капитального сооружения может потребоваться его удаление. Некоторые породы снижают прочность при водонасыщении или даже растворяются в воде – выщелачиваются.

Особенно это характерно для полускальных пород (вулканические туфы, некоторые известняки, мергели, глинистые сланцы, гипс и др.) с прочностью на сжатие меньше 5 МПа. Они подвержены также быстрому выветриванию в обнажениях выемок, котлованов, выработок.

Крупнообломочные и песчаные грунты – продукты физического выветривания скальных пород. В крупнообломочных более 50% составляют обломки (частицы) размером > 2 мм; в песчаных их менее 50%. Содержание глинистой фракции для песчаных грунтов должно быть менее 3%.

Свойства указанных грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составами и состоянием по плотности сложения. Для некоторых разновидностей (мелкие и пылеватые пески) имеет значение также степень заполнения пор водой. Плотные крупнообломочные и песчаные грунты являются обычно надежным основанием сооружений. Однако рыхлые пески интенсивно уплотняются при динамических воздействиях.



Пылевато-глинистые грунты – продукт физического и химического выветривания горных пород. В зависимости от содержания глинистой фракции их подразделяют на супеси (3…10%), суглинки (10…30%) и глины (> 30 %). Свойства этих грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом и содержанием воды, т.е. влажностью. Для них характерны такие свойства, как способность принимать твердое, пластичное или текучее состояние в зависимости от влажности, набухание, размокание, липкость, усадка.

В группу особых выделяются илы, торфы, заторфированные грунты, просадочные лессы и лессовидные грунты, мерзлые и вечномерзлые, засоленные грунты и др.

Определяющим свойством грунтов этой группы является их структурная неустойчивость. Это способность структурных связей быстро разрушаться при некоторых воздействиях, нехарактерных для обычных условий формирования и существования таких грунтов. При этом основание получает большие по величине и быстро протекающие осадки, называемые просадками. Соответственно грунты этой группы характеризуются как просадочные.

  1. 3.1.2. Состав грунтов. Закон фильтрации. Структура и

  2. структурные связи в грунтах

Наиболее сложными по своим свойствам являются дисперсные (раздробленные) грунты. Обычно они содержат три составные части (фазы) – минеральную (твердые частицы), жидкую (вода) и газообразную (воздух, водяной пар, другие газы). Мерзлые грунты содержат также лед. Полностью водонасыщенный грунт считают двухфазной системой (грунтовая масса).

В дисперсных грунтах выделяют прочносвязанную (гигроскопическая), рыхлосвязанную (пленочная) и свободную (гравитационная и капиллярная) воду. Связанная вода существенно влияет на свойства глинистых грунтов и практически отсутствует в песчаных. Перемещение пленочной воды называется миграцией. Гравитационная вода перемещается (фильтрует) во всех грунтах под действием разности напоров. Для большинства грунтов выполняется закон ламинарной фильтрации Дарси в виде

, (1.1)

где J = H/ℓ - гидравлический градиент;

Кфкоэффициент фильтрации .

Из (1.1) Кф - это скорость фильтрации при J =1.

В плотных глинистых грунтах фильтрация затрудняется оболочками связанной воды; считают, что фильтрация в них начинается лишь по достижении некоторого начального градиента напора Jn. Уравнение (1.1) при этом принимает вид: , где Jn – начальный градиент.

Значения Кф и Jn определяются экспериментально.

Капиллярная вода удерживается в порах грунта за счет сил поверхностного натяжения. Высота капиллярного поднятия в грунтах растет с дисперсностью, составляя от 3…5 см в крупных песках до нескольких метров в глинистых грунтах.

Под структурой понимаются размеры, форма, характер поверхности минеральных частиц грунта и характер связей между ними. Последние называются структурными связями и определяют прочность связных грунтов.

В пылевато-глинистых грунтах различают структурные связи:

1) Водно-коллоидные, зависящие от сил электромолекулярного взаимодействия между поверхностями твердых частиц и их водными оболочками. Эти связи пластичны и обратимы.

2) Кристаллизационные связи, возникающие вследствие кристаллизации на поверхности частиц различных соединений из поровых растров. Это связи хрупкого типа и они практически необратимы.

  1. 3.1.3. Характеристики физических свойств грунтов

  2. и классификации по ним

В механике грунтов используются следующие основные физические характеристики, определяемые опытным путем:

– плотность грунта , т/м3 ;

– плотность частиц грунта , т/м3 ;

– влажность ,

где m - масса в некотором объеме грунта V;

ms и Vs – масса и объем твердых частиц в некотором объеме грунта V;

mw и Vw – масса и объем воды в некотором объеме грунта V.

По эти характеристикам рассчитывают производные показатели:

- плотность сухого грунта ; ;

– пористость ,

где – объем пор в рассматриваемом объеме грунта V;

– коэффициент пористости



; (1.2)

– степень влажности: ,

где – плотность воды.

В расчетах часто используются не плотности, а удельные веса, рассчитываемые умножением плотности на ускорение свободного падения. Соответственно имеем удельный вес грунта , частиц и сухого грунта :



; ; .

Например, если , то .

Если принять объем грунта = 1 м3, то для него по смыслу пористости n – объем пор, а 1 – n = m – объем твердых частиц. Разрешая (1.2) относительно n, получаем: .

Тогда объем твердых частиц



(1.3)

Грунт, залегающий ниже уровня подземных вод, испытывает взвешивающее действие воды. При этом вес твердых частиц уменьшается на вес вытесненной ими воды, т.е. на величину . Принимая m по (1.3), получаем: .

Для большинства грунтов значение близко к 10 кН/м3.

Для глинистых грунтов наряду с влажностью важным является понятие консистенции, характеризующее степень подвижности грунта. Консистенция может быть твердой, пластичной и текучей. Влажности, соответствующие границам между этими состояниями, называются пределами пластичности или раскатывания WP (граница между твердым и пластичным состояниями) и текучести WL (между пластичным и текучим).

Разность этих пределов называется числом пластичности

Число пластичности тесно связано с содержанием в грунте глинистой фракции и поэтому используется в классификации:

JP ≤ 0,07 - супесь, 0,07  JP ≤ 0,17 - суглинок; JP > 0,17 – глина.

Состояние грунта удобно характеризовать показателем текучести :



. (1.4)

Из (1.4) видно, что при < < 0 и консистенция твердая; при > > 1 и консистенция текучая. Для суглинков и глин изменение их свойств в интервале очень существенно и для них в указанном интервале пластичной консистенции состояния детализируются:



< 0,25 – полутвердое; <0,5 – тугопластичное; <0,75 – мягкопластичное; – текучепластичное.

Для супесей, у которых число пластичности мало, во всем интервале остается одно название: супесь пластичная.

Для песчаных грунтов очень важно состояние по плотности сложения: плотное, средней плотности, рыхлое. В последнем состоянии грунт дает большие деформации, особенно при динамических воздействиях.

Имеющиеся опытные данные по отдельным разновидностям песчаных грунтов позволяют установить состояние по плотности с помощью табл. 1.1.

Более объективно плотность сложения по значению можно установить, если данный грунт подвергнуть максимально рыхлой укладке и максимально плотной, определив соответственно и . Тогда, зная для естественного сложения, можно определить относительную плотность или индекс плотности

Таблица 1.1

ГрунтыПлотность сложения при коэффициенте пористостиплотныесредней плотностирыхлыеПески гравелистые, крупные и средней крупности<0,55От 0,55 до 0,70 включ.>0,70Пески мелкие<0,60От 0,60 до 0,75 включ.>0,75Пески пылеватые<0,60От 0,60 до 0,80 включ.>0,80

. (1.5)

При 0< – песок рыхлый; при 0,67< – плотный и при 0,33< – средней плотности.

Наиболее надежно плотность устанавливается статическим или динамическим зондированием.

Для песчаных грунтов, особенно мелких и пылеватых, на строительные свойства влияет коэффициент водонасыщения . В зависимости от пески разделяются на малой степени водонасыщения ( ), средней степени водонасыщения 0,5< и насыщенные водой >0,8.

По характеристикам физического состава и состояния можно определить условное расчетное сопротивление грунта , интегрально характеризующее строительные свойства грунта как основания.

Для песчаных грунтов достаточно знать полное наименование грунта и плотность (табл. 1.2), а для пылевато-глинистых – название, значения и (табл. 1.3).



Таблица 1.2

Расчетные (условные) сопротивления песчаных грунтов

Характеристика пескаR0 песка, кПаплотногосредней плотностиКрупные 600 500 Средней крупности:500400Мелкие:маловлажные400 300 влажные и водонасыщенные водой300 200 Пылеватые:маловлажные300 250 влажные 200 150 насыщенные водой150 100 Таблица 1.3

Расчетные (условные) сопротивления пылевато-глинистых

(непросадочных) грунтов

Пылевато-глинистые грунтыКоэффициент пористости, еR0 , кПа при значении IL01,0Супеси0,53003000,7250200Суглинки0,53002500,72501801,0200100Глины 0,56004000,65003000,83002001,1250100
  1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница