- •Механика грунтов, основания и фундаменты Конспект лекций Северодвинск
- •Isbn 5-7723-0078-4 Севмашвтуз, 2010 Содержание
- •1. Физические свойства грунтов 7
- •2. Механические свойства грунтов 23
- •3. Определение напряжений в массиве грунта 39
- •4. Теория предельного напряженного состояния грунтов 51
- •5. Расчет осадок фундаментов 56
- •6. Изменение осадок во времени 68
- •7. Проектирование оснований и фундаментов по предельным состояниям 81
- •8. Фундаменты на естественных основаниях 96
- •9. Свайные фундаменты 114
- •Введение
- •Физические свойства грунтов
- •Состав грунтов и свойства их составных частей
- •Классификация по происхождению
- •Классификация по зерновому составу
- •Виды воды в грунте и их свойства
- •Влияние газа, содержащегося в порах грунта, на его свойства
- •Структура и текстура грунтов
- •Характеристики физического состояния грунтов
- •Определяемые характеристики грунта
- •Вычисляемые характеристики грунта
- •Состояния пылевато-глинистых грунтов
- •Состояния сыпучих грунтов по плотности сложения
- •Классификация грунтов по гост 25100-95
- •Механические свойства грунтов
- •Основные закономерности механики грунтов
- •Закон уплотнения
- •Компрессионная зависимость
- •Коэффициент относительной сжимаемости
- •Закон уплотнения и линейная деформируемость грунтов.
- •Структурная прочность грунтов.
- •Напряженное состояние грунта при компрессионных испытаниях.
- •Определение модуля деформации грунта
- •Водопроницаемость грунтов
- •Закон ламинарной фильтрации
- •О начальном градиенте в глинистых грунтах
- •Давление в водонасыщенных грунтах
- •Сопротивление грунтов сдвигу
- •Сопротивление сдвигу сыпучих грунтов
- •Сопротивление сдвигу связных грунтов
- •Сопротивление грунтов сдвигу при трехосном сжатии
- •Определение напряжений в массиве грунта
- •Применимость решений теории упругости к грунтам
- •Фазы напряженного состояния грунта
- •Основные допущения
- •Определение напряжений в массиве грунта от действия внешних нагрузок
- •Действие сосредоточенной силы на упругое полупространство (задача Буссинеска)
- •Действие нескольких сил
- •Действие равномерно распределенного давления
- •Действие равномерно распределенной полосовой нагрузки (плоская задача)
- •Напряжения от действия собственного веса грунта
- •Распределение напряжений по подошве жестких фундаментов (контактная задача)
- •Определение перемещений
- •Теория предельного напряженного состояния грунтов
- •Общие положения
- •Устойчивость грунтов в основании сооружений
- •Развитие предельного напряженного состояния в основании жестких штампов
- •Критические нагрузки на грунт основания при полосообразной нагрузке
- •Расчет осадок фундаментов
- •Осадка слоя грунта при сплошной нагрузке
- •А) расчетная схема нагруженного слоя; б) компрессионная кривая
- •Метод послойного суммирования
- •Метод эквивалентного слоя
- •Вывод основной зависимости
- •Определение осадки при слоистом основании
- •Метод линейно деформируемого слоя
- •Определение осадки
- •Определение толщины линейно деформируемого слоя
- •Изменение осадок во времени
- •Теория фильтрационной консолидации
- •Осадка слоя грунта при сплошной нагрузке
- •Степень консолидации осадки и эпюры уплотняющих давлений
- •Однородный грунт при двусторонней фильтрации
- •Реологические процессы в грунтах
- •Длительная прочность и релаксация напряжений
- •Деформации ползучести грунтов и методы их описания
- •Учет ползучести грунтов при прогнозе осадок сооружений
- •Проектирование оснований и фундаментов по предельным состояниям
- •Метод расчета конструкций по предельным состояниям
- •Сущность метода
- •Две группы предельных состояний
- •Классификация нагрузок
- •Нормативные и расчетные характеристики материалов
- •Степень ответственности зданий и сооружений
- •Коэффициент условий работы конструкции
- •Основные типы сооружений по жесткости и характер их деформаций
- •Формы деформаций и смещений сооружений
- •Предельные состояния оснований и фундаментов
- •Причины возникновения неравномерных осадок
- •Выбор типа и глубины заложения фундаментов
- •Инженерно-геологические условия площадки строительства
- •Климатические факторы
- •Особенности сооружений
- •Фундаменты на естественных основаниях
- •Определение расчетного сопротивления грунта
- •Центрально нагруженный фундамент
- •Внецентренно нагруженный фундамент
- •Проверка давления на подстилающий слой слабого грунта
- •Конструкции фундаментов
- •Типы фундаментов
- •Каменные и бетонные фундаменты
- •Железобетонные монолитные фундаменты
- •Сборные ленточные фундаменты
- •Защита помещений от подземных вод и сырости
- •Расчет фундаментов на продавливание
- •Свайные фундаменты
- •Типы свай и виды свайных фундаментов
- •Сваи, погружаемые в грунт в готовом виде
- •Сваи, изготавливаемые в грунте
- •Определение несущей способности свай
- •Расчет на прочность свай по материалу
- •Расчет на прочность свай по грунту
- •Проектирование свайных фундаментов.
- •Работа свай в кусте.
- •Центрально нагруженные фундаменты
- •Внецентренно нагруженные фундаменты.
- •Свайные фундаменты, воспринимающие горизонтальную нагрузку
- •Определение осадки свайных фундаментов
- •Возникновение отрицательного трения
- •Литература
Механические свойства грунтов
Основные закономерности механики грунтов
Модель грунта, необходимая для решение задач в Механике грунтов, строится на основе трех законов:
закон уплотнения (закон компрессии);
закон фильтрации;
закон сопротивления грунтов сдвигу.
Для грунтов, структура которых нарушается при увлажнении, динамических воздействиях, оттаивании необходимо учитывать также закономерности разрушения структуры.
Закон уплотнения
Напряжения сжатия, возникающие обычно в основаниях сооружений, не превышают 1 МПа, поэтому деформации твердых частиц, как правило, не учитываются. Проф. Терцаги первый показал, что
деформации сжатия грунта определяются в основном изменением его пористости.
Изменение пористости в водонасыщенных грунтах связано с выдавливанием поровой воды, поэтому деформации уплотнения в пылевато-глинистых грунтах чаще всего протекают медленно во времени, в песках же крупных и средней крупности - достаточно быстро.
Компрессионная зависимость
При испытании грунта на сжимаемость производят испытания на уплотнение его под нагрузкой в условиях линейного деформированного состояния.
Линейным деформированным состоянием называется деформированное состояние, при котором из трех главных деформаций только одно отлично от нуля. Тензор деформаций при этом имеет вид:
.
С этой целью используют приборы с жесткими стенками - одометры - для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении. Подобные граничные условия соответствуют в натуре сжатию отдельного слоя грунта только в одном направлении сплошной нагрузкой (например, от веса вышележащих слоев грунта). Нагрузку на поверхность грунта прикладывают возрастающими ступенями (например, 0,005; 0,01; 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4 МПа).
Рис. 2.5. Схема испытания грунта на сжатие
а) испытание грунта в одометре:
1 - фильтрующее днище прибора; 2 - жесткое кольцо (стенки); 3 - ванночка с водой; 4 - поршень с отверстиями; 5 - образец грунта; h - высота образца грунта; s - осадка грунта;
б) напряженное состояние грунта при сплошной нагрузке.
Образец грунта, полностью насыщенный водой (5), помещают в кольцо (2) высотой h одометра. Для исключения капиллярного давления и предотвращения высыхания грунта одометр помещают в ванночку с водой (3). Если грунт насыщен водой не полностью, то его не заливают водой, а окружают влажным пористым материалом, чтобы вода не испарялась из образца.
Если теперь к поршню одометра приложить давление р, то высота образца уменьшится вследствие уплотнения грунта.
Зависимость между коэффициентом пористости e и осадкой образца s находят из условия постоянства объема, занимаемого твердыми частицами грунта (считают, что осадка возникает только вследствие уменьшения пористости грунта, деформациями твердых частиц пренебрегают).
По определению относительный объем твердых частиц образца равен ( 1 .0):
,
где A - площадь днища; e0 - начальный коэффициент пористости грунта.
Следовательно, объем, занимаемый твердыми частицами, равен:
. (*)
Так как объем, занимаемый твердыми частицами, при загружении образца не меняется, можно записать формулу (*) для любого момента времени:
, (**)
где - коэффициент пористости грунта, соответствующий осадке (при давлении ).
Приравнивая правые части (*) и (**), получим:
.
Отсюда следует:
. (2.0)
По значениям e для различных давлений строят кривую в координатах .
Рис. 2.6. Компрессионные кривые для сыпучих грунтов
а) экспериментальные кривые: 1 - ветвь сжатия; 2 - ветвь набухания; б) расчетная схема для определения коэффициента относительной сжимаемости: 3 - экспериментальная кривая; 4 - аппроксимация компрессионной кривой.
Кривую зависимости коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой. Закономерность ( 2 .0) изменения коэффициента пористости была установлена К. Терцаги и развита многими учеными, в том числе Н.М. Гесивановым, Н.А. Цытовичем и др.
Ветвь 1 на рис. 2 .6-a соответствует нагружению грунта. Если образец разгружать, то будет наблюдаться обратный процесс - увеличение объема (набухание грунта) - ветвь 2 на рис. 2 .6-a. Ее можно построить по измеренным перемещениям, руководствуясь формулой ( 2 .0) .
Расположение ветви набухания намного ниже ветви сжатия свидетельствует о том, что грунт обладает значительной остаточной деформацией уплотнения. Процесс набухания протекает продолжительное время. После снятия нагрузки образец не может занять первоначального объема вследствие происшедших при уплотнении грунта взаимных смещений частиц, разрушения связей в точках контакта и установления новых связей при более плотном состоянии частиц (в результате сближения частиц при уплотнении).