8.3. Механические свойства грунтов

К механическим свойствам грунтов относятся: сопротивление грунта сдвигу, угол естественного откоса, сжимаемость, разрыхляемость, промерзание, прочность и водопроницаемость.

Сопротивление грунта сдвигу складывается из двух составляющих – сил трения и сил сцепления и его определяют по формуле:

,

где – нагрузка, ;

– угол трения;

– удельное сцепление, ;

– площадь сдвига, .

Разделив на обе части равенства, получаем удельное сопротивление сдвигу:

,

где – нормальное давление, направленное перпендикулярно поверхности сдвига, .

В тех случаях, когда сдвиг происходит внутри массива грунта, угол называется углом внутреннего трения.

Рис. 8.1 Схема прибора для определения сопротивления грунта сдвигу:

1 – подвижная часть прибора; 2 – образец грунта;

3 – неподвижная часть прибора; N – сила, сжимающая образец;

Т – сдвигающая сила

Характеристика сдвига и определяют в лабораторных условиях для образцов грунта в ненарушенном состоянии и при естественной влажности специальными приборами.

Сжимаемость грунтов, как уже отмечалось ранее, влияет на их деформацию. Исследования этого свойства грунтов производят в лабораторных условиях, а при возведении ответственных сооружений лабораторные исследования дополняют испытаниями в полевых условиях.

Разрыхляемость грунтов – способность грунта увеличить свой объем при разработке по сравнению с его объемом в плотном теле, т.е. в том состоянии, в каком грунт с ненарушенной структурой залегает в разрабатываемом массиве.

Для производственных целей грунты группируют и классифицируют по степени трудоемкости и их разработки. Принятые в строительстве классификации грунтов по степени их разработки и их объемные массы, представлены в табл. 8.1.

Промерзание грунтов характеризуется способностью содержащейся в них влаги замерзать. Грунты всех видов называются мерзлыми, если у них отрицательная или нулевая температура, и они содержат ледяные включения; вечномерзлыми, если они в течение многих лет не подвергались сезонному оттаиванию. Сезонное промерзание грунтов имеет значение при выборе определении глубины заложения фундаментов, особенно при устройстве фундаментов в пучинистых грунтах.

Наибольшее увеличение объема грунта наблюдается при промерзании пылеватых суглинков и подтоке воды извне. Пучение песков происходит на незначительную величину, причем уже при температуре их объем перестает увеличиваться. Пучение глинистых грунтов происходит не только вначале промораживания, но и при более низких температурах. При медленном промерзании грунтов пучение их больше, чем при быстром, так как в первом случае к замерзающему слою грунта притекают все новые порции воды. Грунты скальные, крупнообломочные, крупные и средние пески относятся к непучинистым грунтам.

Для уменьшения пучения грунтов при промерзании их осушают (с уменьшением влажности грунтов уменьшается пучение) или отепляют грунты возле фундаментов с устройством теплоизолирующих отмосток.

Различают нормативную и расчетную глубину промерзания. Нормативной глубиной промерзания называется средняя из ежегодных максимальных глубин промерзания грунтов по данным многолетних наблюдений за фактическим промерзанием грунтов на открытой, оголенной от снега поверхности.

Определяют нормативную глубину промерзания либо по данным многолетних наблюдений местных метеостанций, либо по карте глубин промерзания, на которой нанесены линии одинаковых нормативных глубин промерзания. Следует иметь в виду, что на карте даны глубины промерзания. Следует иметь в виду, что на карте даны глубины промерзания для глин и суглинков. Для супесей, мелких и очень мелких песков нормативную глубину промерзания принимают с коэффициентом 1,2.

Расчетную глубину промерзания определяют по формуле:

,

где – коэффициент влияния теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен здания (колеблется в пределах ).

Таблица 8.1

Классификация грунтов по степени их разработки и их

объемные массы

Наименование и характеристика грунта	Группа грунта	Средняя объемная масса в плотном состоянии,
Галька и гравий размером: до 80 мм, более 80 мм см примесью булыжников	1 2	1700 – 1800 1900
Гипс мягкий	4	2200
Глина: жирная мягкая или насыпная, слежавшаяся с примесью гравия или щебня до 10%, то же, с примесью щебня или гравия более 10%, сланцевая, твердая, тяжелая ломовая	2 3 4 4 4 3	1800 1950 1950 -------- 2000 1900
Грунт растительного слоя: без корней и с корнями, с примесью гравия, щебня или строй. мусора	1 2	1200 1400
Лёсс: естественной влажности с примесью гравия и гальки, отвердевшие	1 4	1600 – 1800 1800
Мерзлые грунты: песчаные и супесчаные, предварительно разрыхленные, глинистые, суглинистые, предварительно разрыхленные	2 5
Песок всех видов, в том числе с примесью щебня	1	1600 - 1700

Прочность (устойчивость) грунтов – это способность удерживать массу грунта и воспринимать нагрузки от сооружений без нарушения структуры грунта. Основные виды нарушения устойчивости массивов грунта в земляных сооружениях – оползни, обвалы и др.

Оползни наблюдаются главным образом в связных грунтах и размер их зависит от крутизны откоса, изменения нагрузок, внутреннего сопротивления грунта сдвигу и других факторов. Иногда при возникновении оползней перемещаются огромные объемы земляных масс, которые разрушают все сооружения, находящиеся на пути.

Обвалы в большинстве случаев происходят в горных районах и в отличие от оползней протекают значительно быстрей, охватывая огромные массивы грунта. Природа явлений, а также многообразие причин, вызывающих различные виды движений земляных масс, теоретические методы оценки устойчивости грунтов и мероприятий по борьбе с оползнями и обвалами грунта рассматриваются в специальной литературе.

Водопроницаемость – это способность грунтов пропускать содержащуюся в порах воду. Скорость движения грунтовой воды даже в песчаных грунтах, как правило, незначительная (один или несколько метров в сутки).Однако в некоторых случаях скорость может достигать

Для глинистых грунтов скорость движения грунтовой воды весьма незначительна, иногда падает почти до нуля. В связи с этим распространено ошибочное мнение о водонепроницаемости глинистых грунтов, хотя в природе водонепроницаемых грунтов не существует.

При выборе оснований и проектирования фундаментов зданий и сооружений необходимо учитывать влияние на них грунтовых вод. Дождевые и талые воды, проникая через верхние слои грунтов, скапливаются в водоносных (песчаных) его слоях, расположенных над водоупорными (глинистыми и скальными). Грунтовые воды встречаются на различной глубине от поверхности земли. Вблизи водоемов (каналов, озер, рек и др.) уровень воды связан с изменениями уровня воды в водоемах. Движение этих грунтовых вод происходит в сторону водоема.

При возведении фундаментов встречаются случаи, когда грунтовые воды расположены ниже или выше фундаментов. Если уровень грунтовых вод находится ниже подошвы фундаментов, а скорость фильтрации воды невелика или вода не имеет движения, грунтовые воды не влияют на несущую способность основания. Когда уровень воды находится вблизи подошвы фундамента или выше ее, структура некоторых грунтов (мелкого и пылеватого песка, супеси и лессовидных грунтов) нарушается и несущая способность основания значительно снижается. В тех случаях, когда грунтовые воды имеют большой уклон и высокие скорости движения, частицы грунта могут выноситься из-под подошвы фундамента, а следовательно, может уменьшиться плотность грунтов.

Уменьшение плотности грунтов основания и снижение его несущей способности возможно также и тогда, когда котлованы под фундаменты роют с применением водоотлива. В этом случае вследствие одностороннего давления грунтовой воды мелкие частицы грунтов основания выносятся на дно котлована.

Таким образом, если грунты основания содержат мелкие частицы (ил, подошвы фундамента проектируемого сооружения, то следует предварительно искусственно понизить уровень грунтовых вод.