В чем измеряется удельное сцепление

1.5. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ

Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разрушение грунта [4]. Соотношение между предельными касательными τ и нормальными к площадкам сдвига σ напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора

(1.5)

где φ — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.

Характеристики прочности φ и с определяют в лабораторных и полевых условиях. Для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать значения φ и с по табл. 1.17 и 1.18.

ТАБЛИЦА 1.17. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИИ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

Песок Характеристика Значения с и φ при коэффициенте пористости e
0,45 0,55 0,65 0,75
Гравелистый и крупный с
φ
2
43
1
40

38

Средней крупности с
φ
3
40
2
38
1
35

Мелкий с
φ
6
38
4
36
2
32

28
Пылеватый с
φ
8
36
6
34
4
30
2
26

Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварцевым пескам (см. табл. 1.12).

ТАБЛИЦА 1.18. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИЯ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Грунт Показатель текучести Характеристика Значения с и φ при коэффициенте пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05
Супесь 0 < IL ≤ 0,25 с
φ
21
30
17
29
15
27
13
24



0,25 < IL ≤ 0,75 с
φ
19
28
15
26
13
24
11
21
9
18


Суглинок 0 < IL ≤ 0,25 с
φ
47
26
37
25
31
24
25
23
22
22
19
20

0,25 < IL ≤ 0,5 с
φ
39
24
34
23
28
22
23
21
18
19
15
17

0,5 < IL ≤ 0,75 с
φ


25
19
20
18
16
16
14
14
12
12
Глина 0 < IL ≤ 0,25 с
φ

81
21
68
20
54
19
47
18
41
16
36
14
0,25 < IL ≤ 0,5 с
φ


57
18
50
17
43
16
37
14
32
11
0,5 < IL ≤ 0,75 с
φ


45
15
41
14
36
12
33
10
29
7

Примечание. Значения с и φ не распространяются на лёссовые грунты.

1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях

В практике исследований грунтов применяют метод среза грунта по фиксированной плоскости в приборах одноплоскостного среза. Для получения φ и с необходимо провести срез не менее трех образцов грунта при различных значениях вертикальной нагрузки. По полученным в опытах значениям сопротивления срезу τ строят график линейной зависимости τ = f(σ) и находят угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с (рис. 1.5).

Зависимость сопротивления срезу грунта от нормального напряжения

Различают две основные схемы опыта: медленный срез предварительно уплотненного до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание).

Значения φ и с , полученные по методике медленного консолидированного среза, используются для определения расчетного сопротивления грунта, а также для оценки несущей способности основания, находящегося в стабилизированном состоянии (все напряжения от внешней нагрузки восприняты скелетом грунта). Значения φ и с , полученные по методике быстрого неконсолидированного среза, используются для определения несущей способности медленно уплотняющихся водонасыщенных суглинков и глин, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов. В таких грунтах возможно возникновение нестабилизированного состояния (наличие избыточного давления в поровой воде) вследствие их медленной консолидации или быстрой передачи нагрузки от сооружения (силосы, резервуары, склады сырья и т.п.).

Метод определения характеристик прочности φ и с в условиях трехосного сжатия в большей степени соответствует напряженному состоянию грунта в основании сооружения. Испытание проводится на приборе, в котором образец грунта подвергается всестороннему гидростатическому давлению и добавочному вертикальному (осевому). Для определения прочностных характеристик грунтов проводят серию испытаний при различных соотношениях давлений, доводя образец до разрушения, в результате каждого опыта получают значения наибольшего σ1 и наименьшего σ3 главных нормальных напряжений в момент разрушения. Графически зависимость между главными касательными и нормальными напряжениями представляют с помощью кругов Мора, каждый из которых строится на разности напряжений σ1 и σ3 (рис. 1.6).

Круги Мора по результатам испытания грунта в приборе трехосного сжатия

Общая касательная к этим кругам удовлетворяет условию прочности (1.5) и позволяет определить характеристики φ и с .

В приборах трехосного сжатия проводят следующие испытания:

  • – недренированное — дренирование воды из образца грунта отсутствует в течение всего опыта;
  • – консолидировано-недренированное — дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления и образец полностью уплотняется, в процессе приложения осевых нагрузок дренирование отсутствует;
  • – дренированное — дренирование обеспечивается в течение всего испытания.

Недренированные испытания водонасыщенных грунтов проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через общие (тотальные) напряжения. Дренированные испытания проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через эффективные напряжения. При этом в процессе опыта должно быть достигнуто полностью консолидированное состояние грунта. Прочностные характеристики грунтов, выражаемые через эффективные напряжения, могут быть определены также для образцов грунта, испытанных в неполностью консолидированном состоянии, при условии измерения в процессе опыта давления в поровой воде.

Количественной характеристикой прочности скальных грунтов является предел прочности на одноосное сжатие Rc , определяемый раздавливанием образца грунта и вычисляемый по формуле

(1.6)

где Р — нагрузка в момент разрушения образца грунта; F — площадь поперечного сечения образца грунта.

1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

Полевое испытание на срез в заданной плоскости целика грунта, заключенного в кольцевую обойму, аналогично лабораторному испытанию на срез в одноплоскостных срезных приборах. Испытания проводятся в шурфах, котлованах, штреках и т.д. Для получения характеристик φ и с определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения φ и с находят на основе построения зависимости (1.5), как это показано на рис. 1.5.

Полевое определение характеристик φ и с в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 1.7. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза — с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины и создастся нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза — выдергивающей силы. Для получения φ и с необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость τ = f (σ) (см. рис. 1.5).

Схемы испытаний грунта в скважинах на срез

Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 1.7), позволяет определить сопротивление срезу τ , поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, сапропелях, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять с = τ . Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.

Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения φ и с вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.

Угол внутреннего трения песчаных грунтов может быть определен с помощью статического и динамического зондирования. По данным статического зондирования угол φ имеет следующие значения:

qc , МПа 1 2 4 7 12 20 30
φ , град 26 28 30 32 34 36 38

Значения φ по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.19. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов на срез. Для сооружений III класса допускается определять φ только по результатам зондирования.

ТАБЛИЦА 1.19. ЗНАЧЕНИЯ УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Удельное сцепление грунта

Сцепление грунта (с) – это один из параметров, от которого зависит прочность грунта при сдвиге. Его вычисляют по формуле соотношением вертикального и касательного напряжений или определяют на графике. Измеряется сцепление в килопаскалях (кПа).

  • Удельное сцепление грунта
  • От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет
  • Методы определения удельного сцепления
  • Лабораторные методы испытания
  • Одноплоскостный срез
  • Трехосное сжатие
  • Полевые методики испытаний
  • Готовые показатели
  • Практическое значение показателя
Читайте также  Ваз 2114 каким должно быть сцепление

На показатель влияет тип химических связей в породе. Свойство характерно для глинистых и скальных грунтов. Устойчивость к сдвигу несвязных дисперсных грунтов обеспечивает трение между отдельными зернами , поэтому сцепление в этом случае играет минимальную роль.

От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет

Сцепление обеспечивают химические связи между молекулами минеральных компонентов грунтов.

Основные разновидности связей:

  • Коллоидные – это электрохимические контакты между молекулами минералов и воды
  • Цементационные – связи между частицами и минералами, которые играют роль цемента
  • Кристаллизационные – связи между отдельными молекулами, образующими кристаллические решетки

Наименьшей силой обладают коллоидные или водно-коллоидные связи. Больше всего на них влияет влажность. Но это единственный тип структурных связей, способный восстанавливаться после разрушения. Встречаются они в глинистых грунтах.

Цементационные связи достаточно прочные. Они характерны для литифицированных (окаменевших) глин и некоторых скальных грунтов. После разрушения такие связи не восстанавливаются. Но они могут опять возникать в массивах через несколько десятилетий или столетий.

Кристаллизационные связи присутствуют в скальных грунтах и некоторых глинистых. Они прочные , но необратимо разрушаются при нагрузках. Кристаллические решетки в обычных условиях не восстанавливаются, так как для их образования нужны высокие температуры и давление.

Прочные контакты между элементами обеспечивают упругость грунта – способность после уменьшения нагрузки восстанавливать свой объем и форму. Коллоидные контакты даже после смещения частично возобновляются. Это увеличивает способность грунтов сопротивляться сдвигу.

На сцепление влияют и другие характеристики:

  • Пористость и плотность
    Сцепление рыхлого грунта с большим количеством пор всегда слабее.
  • Влажность
    При высокой влажности вокруг мелких глинистых частиц образуются пленки воды. Чем больше их толщина, тем слабее связи между зернами и агрегатами, а значит – и сцепление. Влажность влияет в основном на показатели глинистого грунта.
  • Минеральный состав
    Минералы грунта определяют тип связей между его химическими элементами. Самые прочные они у магматических и метаморфических пород , образованных в недрах земли при высоких температурах и давлении. Несколько ниже сцепление у осадочных скальных и глинистых связных грунтов.

Сцепление бывает:

  • Структурным – оно обеспечивается химическими контактами между отдельными элементами грунта; присутствует в нем изначально
  • Удельным – оно определяется во время испытаний на сдвиг и напрямую зависит от вертикальных нагрузок

Сцепление обеспечивает устойчивость грунта при воздействии касательных сдвигающих сил, влияет на прочность и несущую способность. При высоком показателе грунтовый массив становится надежным основанием под фундаментом или дорожным полотном.

Методы определения удельного сцепления

Показатель определяют в ходе испытаний грунтов на устойчивость к сдвигу, в лаборатории или полевых условиях.

Лабораторные методы испытания

В лаборатории пользуются несколькими методами:

  • Одноплоскостным срезом – быстрым неконсолидированным и медленным консолидировано-дренированным
  • Трехосным сжатием – неконсолидировано-недренированным, консолидировано-недренированным, консолидировано-дренированым

При использовании консолидированных методик грунт дополнительно уплотняют. При дренированном испытании влагу отводят через систему дренажей , при недренированном берут водонасыщенный материал или с естественной влажностью.

Подробнее о лабораторных методиках вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг. Здесь же мы расскажем, как вычисляется удельное сцепление.

Одноплоскостный срез

Этим методом определяют два типа напряжения – нормальное, или вертикальное (σ) и горизонтальное, или касательное (τ). Их максимальные значения соответствуют силе давления, при которой происходит сдвиг или смещение частиц относительно друг друга. Для определения сцепления нужно провести несколько опытов. Полученные данные отмечают на графике. Участок, который находится между нулевой точкой (местом пересечения осей) и местом начала кривой на оси ординат, соответствует силе сцепления.

Показатель вычисляют и по формуле:

Формула для вычисления удельного сцепления при одноплоскостном срезе

Когда обрабатывают экспериментальные точки графика, проводят более сложные вычисления:

Формула для вычисления удельного сцепления при помощи сложной формулы

Трехосное сжатие

По этой методике вычисляют эффективное значение удельного сцепления (с’).
Используется уравнение:

Формула для вычисления эффективного удельного сцепления при трехосном сжатии

Полевые методики испытаний

Испытание грунтов в массиве дает более приближенные к естественным условиям результаты. Чаще всего это делают в карьерах, подземных выработках, строительных котлованах перед закладкой фундамента.

Сцепление в полевых условиях определяют методом среза образцов. Прямо в выработке с помощью кольца от массива отделяют определенный объем грунта. Затем с помощью установки с анкерным устройством делают срез. Деформации фиксируют измерительными приборами. Детальнее о способе проведения опыта вы можете прочитать в статье Угол внутреннего трения грунта.

Удельное сцепление определяется после построения графика. На нем отмечают данные касательных и вертикальных напряжений , полученные на одном и том же массиве не менее, чем в трех опытах. Величиной сцепления будет отрезок на оси ординат от нулевой точки до начала линии графика.

Готовые показатели

На практике часто пользуются уже готовыми данными для разных типов грунтов. Они прописаны в СП 22.13330.2016. Показатели сцепления представлены в таблицах.

Таблица удельного сцепления песков разной крупности

Таблица удельного сцепления песков разной крупности

Таблица удельного сцепления глинистых грунтов

Таблица удельного сцепления глинистых грунтов

Как мы видим из приведенных таблиц, у песков сцепление очень слабое. В глинистых грунтах показатель намного выше, но он уменьшается с увеличением пористости и текучести.

Практическое значение показателя

Удельное и структурное сцепление больше всего влияет на прочность скальных и глинистых грунтов при сдвиге. У песков этот параметр больше зависит от угла внутреннего трения. Сцепление лишь незначительно влияет на прочность пылеватых и мелких песков.

Сцепление можно определить в ходе опытов или взять готовую цифру из нормативных документов. Показатель используется для расчета напряжений при испытаниях на сдвиг.

Информация о сцеплении грунтов необходима при:

  • Закладке фундаментов и возведении домов любого типа
  • Строительстве промышленных объектов
  • Прокладке автомобильных трасс, железных дорог, взлетных полос аэродромов
  • Прокладке грунтовых дорог , обустройстве пешеходных зон
  • Строительстве дамб, плотин, трубопроводов, путепроводов
  • Разработке карьеров и подземных шахт
  • Укреплении речных берегов и горных склонов
  • Прогнозировании горных обвалов, размыва берегов во время наводнений

Подробно о всех перечисленных пунктах, а также о расчете напряжений при испытаниях на сдвиг вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг.

Определение удельного сцепления и других прочностных характеристик грунта требует опыта и специального оборудования. Поэтому услугу по определению этого показателя нужно заказывать у специалистов.

Прочность грунтов

Грунты оснований зданий и сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, то происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Сопротивление грунта сдвигу характеризуется прочностными свойствами грунта и используется в расчетах оснований по первому предельному состоянию (по прочности).

Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон) водохранилища или же откос канала, происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления. Прочность грунта определяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу τ .

В лабораторных условиях сопротивление грунта сдвигу устанавливается испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) в сдвиговых приборах и приборах трехосного сжатия, в полевых — путем испытания крыльчаткой, методами раздавливания призмы грунта, сдвигом целика грунта в заданной плоскости и другими способами. На рис. 5.11 показан общий вид установки для испытания грунтов на одноплоскостной сдвиг.

Рис. 5.11. Общий вид прибора для испытания грунта на сдвиг

Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных фунтов возникает в основном в результате трения между перемещающимися частицами и зацепления их друг за друга. В этих грунтах сопротивление растяжению практически отсутствует, поэтому их называют сыпучими, или несвязны ми. Тогда сопротивление сдвигу в несвязных (сыпучих) грунтах зависит от сил трения между частицами.

Процесс разрушения глинистых грунтов значительно сложнее, чем песчаных или крупнообломочных. Водно-коллоидные и цементационные связи, которые имеют место в глинистых грунтах, обеспечивают некоторое сопротивление их растяжению.

Поэтому эти фунты часто называют связными. Тогда сопротивление сдвигу в связных фунтах складывается из сил трения частиц и сил сцепления между ними.
Сцепление — это сопротивление структурных связей глинистых грунтов всякому перемещению частиц.

Испытание глинистых грунтов на сдвиг производится по двум схемам:

  • I схема — закрытая (неконсолидированно-недренированные испытания), т.е. когда фунт не консолидирован. Испытания производятся сразу после приложения вертикальной нагрузки, при этом плотность и влажность грунта в процессе опыта не меняются. Такие опыты носят название «быстрого сдвига».
  • II схема — открытая (консолидированно-дренированная), т.е. когда грунт консолидирован. В этом случае испытания на сдвиг производятся после полной консолидации. Консолидация — процесс уплотнения грунта, сопровождающийся отжатием воды из пор грунта, т.е. это явление свойственно водонасыщенным грунтам.
    Как было сказано выше, сопротивление грунтов сдвигу можно определить с помощью различных приборов. Наиболее простым из них является одноплоскостной сдвиговой ( рис. 5.12 ).

Рис. 5.12. Схема прибора для испытания фунта на сдвиг: 1 — неподвижная обойма; 2 — то же, подвижная; 3 — фильтрующая пластина с зубцами

Если образец грунта поместить в сдвиговой прибор (в виде двух компрессионных колец), то приложив вертикальную силу F и постепенно увеличивая горизонтальную силу Т, происходит срез (сдвиг) одной части образца относительно другой по линии, показанной пунктиром (см. рис. 5.12).

Опыты на сдвиг проводят при нескольких сжимающих напряжениях (о) для образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии и результаты оформляют в виде графиков ( рис. 5.13 ). При этом, чем больше а, тем больше предельное сопротивление сдвигу τ и .

Под действием возникающих в плоскости среза касательных напряжений τ=Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца а ( см. рис. 5.13 ). По мере увеличения интенсивность горизонтальных перемещений а возрастает, и при некотором предельном значении τ = τ и дальнейшее перемещение части образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца грунта.

Рис. 5.13. Кривые горизонтальных смещений части образца при различных значениях нормальных напряжений (а) и график сопротивления сдвигу образца песчаного грунта (б)

Многочисленными экспериментами различных авторов установлено, что график зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения для песчаных и крупнообломочных грунтов с достаточной точностью может быть представлен отрезком прямой, выходящей из начала координат ( см. рис. 5.13, б ). Тогда эта зависимость может быть выражена уравнением

где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт, tgφ = ƒ; φ — угол внутреннего трения.

Зависимость (5.27) установлена французским ученым Ш. Кулоном еще в 1773 г. и формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона для несвязных фунтов.

Как известно, глинистые фунты (супесь, суглинок, глина) обладают связностью, интенсивность которой зависит от влажности и степени уплотненности грунта.
Испытание глинистых грунтов производится в таких же приборах, что и несвязных грунтов (см. рис. 5.12), только фильтрующая пластина — без зубцов.
Так же проводятся несколько испытаний и строится график (рис. 5.14). Тогда зависимость τ = ƒ (σ) для связных грунтов может быть представлена следующим образом:

где с — отрезок, отсекаемый от оси τ и прямой АВ ( рис. 5.14 ), называется удельным сцеплением и характеризует связность грунта.

Параметры φ и с лишь условно можно назвать углом внутреннего трения и удельным сцеплением, так как физика процесса разрушения грунта намного сложнее.

Рис. 5.14. График сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта

На полученные величины параметров сопротивления грунта сдвигу (φ и с) оказывает влияние методика проведения опытов ( табл. 5.3 ).
Уравнение (5.28) называют законом Кулона для связных грунтов и формулируют следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершении их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.

Таблица 5.3. Прочностные показатели глинистых грунтов, определяемые различными методиками

Схема испытания Значения параметров
φ, град с, МПа
Мгновенный сдвиг без предварительного уплотнения 6 0,02
Быстрый сдвиг без предварительного уплотнения 5 0,027
Медленный сдвиг с предварительным уплотнением под нагрузками среза 20 0,003

Исследования, проведенные во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, показывают, что метод определения сопротивления сдвигу оказывает довольно существенное влияние на конечные результаты.

Так, φ и с определенные в полевых условиях по результатам сдвига жестких бетонных штампов, довольно существенно отличаются от результатов, полученных на приборе одноплоскостного среза для грунтов с ненарушенной структурой ( табл. 5.4 ).

Таблица 5.4. Характеристики грунтов, полученные различными испытаниями (по П.Д. Евдокимову, 1966)

Вид грунта Метод испытаний
Бетонный штамп Бетонный штамп Бетонный штамп Бетонный штамп Одометр Стабилометр
φ, град. с, Н/см2 φ, град. с, Н/см2 φ, град. с, Н/см2
Мелкий песок 25-30 0,6 34 0,6 42
Плотные суглинки, супеси 22-45 6,3 27-35 0,6 33 15
Глина 14-16 3,8-5,2 17 0,92
Плотная глина 28 1,6 34 20,7

Применявшиеся бетонные штампы размером от 1,5×1,0 до 2,5×2,5 м позволили интегрирование учесть свойства грунта большого объема, в то время как испытания в лабораторных условиях на образцах объемом в несколько кубических сантиметров дают возможность определить лишь свойства грунта в той точке, в которой взята проба.
Таким образом, для расчета оснований зданий и сооружений необходимо определить вышеуказанные прочностные характеристики грунта, а именно: угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта.

Для расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов можно использовать нормативные значения прочностных и деформационных характеристик, приведенных в СНиП 2.02.01—83*.

Определение расчетных значений физико-механических характеристик грунтов

При проектировании оснований и фундаментов по двум группам предельных состояний в расчетах используются расчетные значения физико-механических характеристик грунтов:

удельного веса ,

угла внутреннего трения ,

удельного сцепления .

Расчетные значения характеристик грунтов для первой и второй группы предельных состояний определяются путем деления нормативных значений на коэффициент надежности по грунту . Коэффициенты надежности по грунту определяется согласно ГОСТ 20522-96. В рамках курсового проекта допускается коэффициенты надежности по грунту принять равными:

в расчетах оснований по деформациям =1;

в расчетах оснований по несущей способности:

— для удельного сцепления =1,5;

— для угла внутреннего трения песчаных грунтов =1,1;

— то же, пылевато-глинистых =1,15

Определим расчётные характеристики на примере 1 слоя:

Определение удельного веса грунта :

В виду наличие грунтовых вод в песчаных грунтах дополнительно определяем удельный вес грунта в водонасыщенном состоянии :

— удельный вес воды равный 10

Значение угла внутреннего трения по I группе предельных состояний:

Значение угла внутреннего трения по II группе предельных состояний:

Удельное сцепление равно 0 кПа.

Результаты определения расчетных значений физико-механических характеристик грунтов приводятся в таблице 1.6

Рисунок 1.2 — Инженерно – геологический разрез

Таблица 1.5. — Характеристики физического состояния грунта

№ ИГЭ Данные задания Вычисляемые характеристики Наименование грунта по СТБ 943-2007
Плотность частиц, r s , г/см 3 Плотность грунта r , г/см 3 Влажность W, % Влажность текучести WL, % Влажность раскатывания, WР, % Условное дин. сопротивление РД, МПа Плотность скелета грунта, rd Коэффициент пористости, е Степень влажности, Sr Число пластичности, IР Показатель текучести, IL
2,68 1,85 2,8 1,65 0,62 0,52 песок мелкий, средней плотности, влажный
2,86 1,94 1,9 1,67 0,71 0,64 0,25 супесь пластичная, влажная
2,74 1,89 4,2 1,69 0,62 0,76 суглинок твердый, влажный

Таблица 1.6. — Нормативные и расчетные значения физико-механических характеристик

№ ИГЭ, название грунта Удельный вес, Удельное сцепление, кПа Угол внутр. трения, градус Модуль деформации МПа
E
18,50 10,37 18,50 10,37 29,80 27,09 29,80 12,63
19,40 19,40 12,80 11,64 12,80 20,70 18,00 20,70 15,80
18,90 18,90 34,50 31,36 34,50 24,25 21,09 24,25 17,40

Примечание: Значения удельного веса грунтов под чертой соответствуют значениям в водонасыщенном состоянии.

Проектирование фундаментов мелкого заложения

Назначение глубины заложения фундамента.

Глубина заложения фундаментов (расстояние от уровня планировки до уровня подошвы фундамента) назначаем в зависимости:

— Назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения и применяемых конструкций.

— Инженерно-геологических условий площадки.

— Глубины промерзания грунтов.

Фундаменты мелкого заложения проектируем столбчатого типа.

Для зданий с отапливаемым подвалом глубина заложения назначается не зависимо от глубины промерзания, но не менее чем на 0.5 м ниже пола подвала.

В курсовом проекте принимается, что здания проектируется с отапливаемым режимом работы с расчетной температурой воздуха внутри помещений и в подвалах 20 0 С.

Расчетные значения нагрузок, действующих на фундаменты

Нагрузки и воздействия, учитываемые в расчете оснований по предельным состояниям, определяются с учетом требований СНиП 2.01.07-85. В задании на курсовой проект дано нормативное значение продольной силы, действующая в плоскости обреза фундамента ( ).

В курсовом проекте допускается значения расчетных нагрузок на фундаменты , принимать:

— при расчета оснований по II группе предельных состояний (по деформациям) равными нормативным ( = 1,0 );

— при расчете по I группе предельных состояний – равными нормативным, умноженным на осредненный коэффициент надежности по нагрузкам ( = 1,2).

Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона

Потеря прочности грунтов проявляется в виде оползания склонов, опрокидывания подпорных стенок, провальных осадок фундаментов. Разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его части по другой. Таким образом, прочность грунта есть его способность сопротивляться сдвигу.

2.3.1. Сопротивление сдвигу идеально сыпучих грунтов

Изучением способности грунтов сопротивляться сдвигу занимался Ш. Кулон в XVIII в. Он испытывал идеально сыпучие грунты в специальном приборе, который обычно называют срезным или сдвиговым (рис. 2.8).

Если образец песка поместить в срезной прибор, то, приложив вертикальную силу N и постепенно увеличивая сдвигающую силу Т, можно достигнуть среза (сдвига) одной части образца по другой приблизительно по горизонтальной линии.

Рис. 2.8. Схема прибора для испытания грунта на сдвиг (срез)

При этом в образце будет действовать постоянное в процессе опыта нормальное напряжение s и увеличивающееся касательное напряжение t :

, , (2.28)

где А – площадь образца.

Если с помощью измерительного прибора следить за горизонтальными смещениями подвижной части образца относительно неподвижной, можно построить график сдвиговых испытаний, показанный на рис. 2.9, а. Из графика видно, что при небольших значениях t деформации малы, затем они начинают быстро нарастать и при некотором значении t происходит сдвиг одной части образца относительно другой. Касательное напряжение, при котором происходит сдвиг, т.е. разрушение образца, называется предельным сопротивлением срезу (tпр).

Если испытать другой образец, идентичный первому, при большей вертикальной нагрузке, то окажется, что нужно приложить большую горизонтальную силу, чтобы произошел сдвиг.

Если по результатам испытания трех идентичных образцов построить график в координатах s – tпр , по получим прямую, выходящую из начала координат (рис. 2.9, б).

Рис. 2.9. График сдвиговых испытаний (а) и график сопротивления

сдвигу сыпучего грунта (б)

Ш. Кулон представил математическое выражение этой зависимости в следующем виде:

где tgj = f –коэффициент внутреннего трения; j – угол внутреннего трения грунта.

Зависимость (2.29) носит название закона Кулона для сыпучих грунтов и формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу (срезу) прямо пропорционально нормальному напряжению. Угол внутреннего трения j является показателем прочности идеально сыпучего грунта.

2.3.2. Сопротивление сдвигу связных грунтов

Проведя подобные испытания для образцов глинистого грунта, получают более сложную зависимость. В таких грунтах сопротивление сдвигу обусловливается не только силами трения, но и связностью грунта, т.е. сложными процессами нарушения водно-коллоидных и цементационных связей между частицами. Однако, как и для сыпучих грунтов, зависимость сопротивления сдвигу от нормального напряжения обычно представляется в виде прямолинейной зависимости:

где j – угол внутреннего трения грунта; с – удельное сцепление.

Зависимость (2.30) называется законом Кулона для связных грунтов и формулируется так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу (срезу) есть функция первой степени от нормального напряжения.

График сопротивления сдвигу связного грунта представлен на рис. 2.10.

Рис. 2.10. График сопротивления сдвигу связного грунта

Угол внутреннего трения j и удельное сцепление с называются по аналогии с сыпучими грунтами показателями прочности грунта, хотя на самом деле они являются лишь параметрами зависимости (2.28), полученной опытным путем.

Если прямую продлить влево до пересечения с осью абсцисс, то она отсечет на ней отрезок Рс , который называют давлением связности. Это некоторое всестороннее давление, суммарно заменяющее действие всех сил сцепления.

Его можно определить из выражения

. (2.31)

Выражение (2.30) соответствует проведению испытаний грунтов в стабилизированном состоянии, т.е. когда процесс консолидации грунта завершен, избыточная вода выдавлена из пор и вся нагрузка передается на скелет грунта. Такая схема испытаний называется «консолидированно-дренированный (медленный) срез (сдвиг)». При такой схеме испытаний идентичные образцы грунта предварительно уплотняются под различным вертикальным давлением до завершения процесса консолидации. При этом каждый образец приобретает свое значение плотности и влажности. Согласно ГОСТ [4] консолидированно-дренированная схема испытаний применяется для песков и глинистых грунтов независимо от их влажности для определения значений j и с.

Вторая схема испытаний связных грунтов носит название «неконсолидированный быстрый срез (сдвиг)». В этом случае образцы испытывают быстро без предварительного уплотнения. Во время испытаний их плотность и влажность не успевают измениться. При этом предельное сопротивление сдвигу практически не зависит от вертикального напряжения, а зависит лишь от влажности. По методике, предложенной Н.Н. Масловым [2], при таких испытаниях можно получить зависимости j и с от влажности. Согласно [4] схема испытаний на быстрый сдвиг применяется для водонасыщенных глинистых и органо-ми-неральных грунтов, имеющих показатель текучести IL ≥ 0,5, для определения значений j и с в нестабилизированном состоянии.

2.3.3. Испытание грунтов при трехосном сжатии

Испытания на трехосное сжатие позволяют испытывать образцы грунта при предварительном их обжатии заданным боковым давлением, что ближе отражает условия работы грунта в природных условиях и дает более надежные результаты при определении их прочностных и деформационных характеристик.

Испытания на трехосное сжатие проводят в приборе, называемом стабилометром (рис. 2.11). Стабилометр имеет рабочую камеру, которая заполняется водой или глицерином. Образец грунта цилиндрической формы, находящийся в тонкой резиновой оболочке, помещают в рабочую камеру прибора. В жидкости, которой заполнена камера, создается гидростатическое давление, в результате чего возникает всестороннее давление на образец. После обжатия образца всесторонним давлением боковое давление σ2 = σ3 оставляют постоянным, а вертикальное давление σ1 увеличивают ступенями до разрушения образца.

Рис. 2.11. Схема стабилометра:

1 – рабочая камера; 2 – поршень; 3– манометр для измерения бокового давления;

4 – образец грунта; 5 – индикаторы; 6 – эластичная оболочка; 7 – кран;

8 – волюмометр; 9 – днище прибора; 10 – емкость для жидкости

Разрушение образца может происходить в виде сдвига по наклонной поверхности (рис. 2.12, а) или в виде расширения образца в стороны в результате уменьшения его высоты (рис. 2.12, б) придостижении относительной вертикальной деформации образца ε1 = 0,15 [4].

Измерение давления в камере производится с помощью манометра, вертикальные перемещения образца измеряются индикаторами, боковые перемещения – волюмометром (градуированная трубка, позволяющая определить объем жидкости, вытекающей из рабочей камеры).

Рис. 2.12. Характер разрушения образца при испытании в стабилометре:

а – разрушение в виде сдвига; б – бочкообразная форма образца при разрушении

Если провести испытание на трехосное сжатие нескольких образцов одного и того же связного грунта и довести образцы до разрушения, то для каждого образца будут получены предельные значения главных напряжений σ3 и σ1. Результаты испытаний можно представить в виде кругов Мора для напряжений (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Круги Мора для предельных напряжений

Опыты показывают, что в значительном интервале напряжений касательная к кругам напряжений имеет вид прямой с уравнением, аналогичным (2.30), выражающим условие прочности грунта:

,

где φ и с – параметры касательной к кругам напряжений. Они соответствуют характеристикам прочности грунта, полученным Кулоном: φ – угол внутреннего трения; с – удельное сцепление грунта.

Полученное уравнение можно записать и через главные напряжения. Продолжим касательную влево до пересечения с осью σ и рассмотрим прямоугольный треугольник О’ВА.

В данном треугольнике имеем

ВА/О’А = sinφ ; (2.32)

ВА – радиус круга, определим через главные напряжения:

.

Расстояние О’А =О’О+OK + KA = Рс + σ3 + .

Подставляя значения ВА и О’А в (2.32), получаем условие прочности в главных напряжениях:

. (2.33)

Для несвязных грунтов (пески), у которых с ≈ 0, условие (2.33) упрощается:

. (2.34)

В лабораторных условиях прочностные характеристики грунта в стабилометре определяют испытанием трех идентичных образцов. В каждом испытании к образцу прикладывается постоянное, но разное боковое давление. Для каждого образца определяется значение вертикального напряжения σ1, соответствующее разрушению.

По результатам испытаний строят круги предельных напряжений (рис. 2.14). Касательная к этим кругам позволяет определить характеристики сопротивления грунта сдвигу j и с.

Рис. 2.14. Определение прочностных характеристик по результатам

испытаний на трехосное сжатие

По результатам испытаний на трехосное сжатие определяются также модуль деформации Е и коэффициент поперечной деформации ν (коэффициент Пуассона), которые вычисляют по формулам:

, (2.35)

, (2.36)

где ∆σ1 – приращение напряжения σ1; ∆ε1 и ∆ε3 – приращение относительных вертикальной и поперечной деформаций образца.

По данным испытаний грунта в условиях трехосного сжатия кроме этого могут быть определены модуль сдвига G и модуль объемной деформации К по формулам:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: