Механика грунтов. 9



 МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Сто вопросов и ответов по основам  механики грунтов.

1. Какие вопросы рассматриваются  в механике грунтов?

Механика грунтов - научная  дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд других вопросов. Механика грунтов является составной частью геомеханики.

2. На результаты исследований каких дисциплин опирается механика грунтов?

Механика  грунтов опирается на результаты научных исследований в области механики сплошных сред (сопротивления материалов, теории упругости, теории пластичности), инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики и гидромеханики, а также на результаты других инженерных дисциплин.

3. Какие задачи ставятся в механике  грунтов?

Задачи прогноза механического поведения грунтов  и грунтовых массивов. Для этого производятся:

  • установление физических и механических свойств грунтов и 
    возможности их использования в нужных целях, а, в случае необходимости, 
    и улучшение строительных свойств грунтов;
  • определение напряженно-деформированного состояния грунтовых 
    массивов, возможного его изменения в последующем;
  • определение  общей  устойчивости  этих  массивов,   взаимодействую-щих с инженерными сооружениями или непосредственно устойчивости их самих, если они являются сооружениями. 
           Таким образом, основная задача - это оценка состояния в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов и массивов из них, прогноз происходящих в них процессов.

4. Какие основные задачи стоят  перед фундаментостроением?

Фундаменты зданий и  сооружений должны быть:

  • технически выполнимыми в данных конкретных условиях;
  • наиболее подходящими для данного объекта;

      - удовлетворяющими эксплуатационным требованиям;

- экономически оптимальными;

     - удовлетворяющими требованиям безопасности;

     - удовлетворяющими экологическим требованиям.

      Должны  учитываться естественные и технологические процессы, связанные со строительством и существованием фундаментов в пределах сроков, установленных для нормальной эксплуатации зданий или сооружений.

5. Что называется основанием?

Основанием  называется массив грунта, находящийся  непосредственно под сооружением и рядом с ним, который деформируется от усилий, передаваемых ему с помощью фундаментов. Если строительные свойства грунтов основания мы специально не улучшаем и не изменяем, то такое основание называется естественным в отличие от искусственного основания, в котором строительные свойства грунтов преднамеренно нами улучшены для того, чтобы уменьшить сжимаемость грунтов, увеличить их прочность, изменить водопроницаемость и др.

Основания, созданные  искусственно уложенными грунтами в  результате отсыпки с уплотнением или намыва, также называются искусственными.

6. Что называется фундаментом?

Фундаментом называется подземная или подводная  часть здания или сооружения, служащая для передачи усилий от него на грунты основания и, по возможности, более равномерного их распределения, а также уменьшения величины давлений до требуемых значений.

7. В каких областях строительства  используются результаты механики грунтов?

В основном результаты механики грунтов используются в строительстве:

  • в промышленном и гражданском;
  • в гидротехническом;
  • транспортном (автодорог и железных дорог);
  • мостов;

   - аэродромов;

  • подземном;
  • военных объектов и объектов специального назначения;
  • сельскохозяйственном;
  • линейных объектов (линий электропередач, трубопроводов);

-  объектов энергетического хозяйства.

8. Когда в нашей стране впервые  вышел учебник по курсу "Механика грунтов"?

Первый учебник "Основы механики грунтов" был  издан в 1934 г. Его автор профессор Н.А.Цытович (1900-1984). Этот учебник автором далее неоднократно дополнялся и переиздавался в 1940, 1951 и 1963 годах. В последующем четыре раза издавался его краткий курс "Механика грунтов" - в 1969, 1973, 1979 и 1983 годах.

9. Как подразделяются по происхождению горные породы?

   По своему происхождению они подразделяются на:

  • магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания  магмы;  они  имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;
  • осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и, образуют скальные и нескальные грунты;
  • метаморфические, которые образовались в результате действия на магматические, ранее образовавшиеся метаморфические и осадочные породы высоких температур, больших давлений и других факторов выветривания. Они чаще всего классифицируются как скальные грунты.

10. Что следует называть грунтом?

    Грунтами называют любые горные породы, почвы, техногенные образования коры выветривания  Земли - сыпучие или связные, прочность связей у которых между частицами во много раз меньше, чем прочность самих частиц, или эти связи между частицами отсутствуют вовсе. Есть и другое определение грунтов: это горные породы, являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

   Грунты могут  служить:

1) основанием зданий и сооружений;

2)средой для размещения  в них сооружений (например метро, тоннели и др.);

3)материалом самого  сооружения (плотины, насыпи, дороги и др.).

11. Из чего состоят грунты?

   Грунты состоят из:

  • твердых частиц (минералов, горных пород, органических остатков и др.);
  • воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной        температуре грунта);
  • газов (в том числе и воздуха).

Вода и  газы находятся в порах между  твердыми частицами (минеральными и органическими). Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ


12. Какие физические характеристики грунта являются основными? ГОСТ 25100-95.

Основными физическими  характеристиками грунта (определяемые непосредственно в лабораторных или полевых условиях) являются:

  • плотность грунта - ρ [г/см3]; (удельный вес - γ - [кН/м3]);
  • плотность частиц грунта- ρs [г/см3]; (удельный вес частиц грунта – γs-[кН/м3];);
  • природная влажность –w; [в долях единицы];

Остальные физические характеристики могут быть вычислены с их использованием.

     (Справка- ρ г/см3·9,8=γ кН/м3)

13. Что называется плотностью грунта ρ (удельным весом грунта γ)?

Плотностью грунта ρ называется, отношение массы образца грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [г/см3].

14. От чего зависит плотность грунта ρ ?

Плотность грунта ρ зависит от плотности частиц грунта ρs, его пористости n и влажности w.

15. Что называется плотностью частиц грунта ρs,?

Плотностью частиц грунта ρs называется отношение массы частиц грунта к объему, который они занимают. Размерность [г/см3].

16. От чего зависит плотность частиц грунта ρs?

Плотность частиц грунта ρs, зависит от минералогического состава скелета грунта и степени их дисперсности. У глин она больше, чем у песка при одних и тех же образующих грунт минералах. В глинистом грунте поверхность частиц намного больше, чем в песчаном. Плотность частиц грунта ρs  не зависит от его пористости n .

17. Что называется плотностью сухого грунта ρd?

Плотностью сухого грунта ρd называется отношение массы высушенного грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [г/см3].

18. Каким способом можно измерить объем глинистого грунта с целью определения его плотности?

Тремя способами:

  1. по объему вытесненной воды при погружении в нее грунта, который   предвари-тельно   парафинируется  для   предотвращения размокания и попадания воды внутрь образца;
  2. с помощью режущего кольца, объем внутренней полости которого определя-ется замером и которое полностью заполняется грунтом.

      3) метод  шурфиков.

19. Что называется пористостью грунта n?

Пористостью п грунта называется отношение объема пор к полному объему образца грунта.

20. Что называется коэффициентом пористости грунта е?

Коэффициентом пористости е или относительной пористостью называется отношение объема пор в образце к объему, занимаемому его твердыми частицами - скелетом, то есть.

.

21. Что называется влажностью грунта W, и какой она бывает? Может ли влажность грунта быть больше единицы (т.е.100 %)?

Влажность грунта бывает весовой и объемной. Весовой  влажностью называется отношение массы воды в образце грунта к массе твердых частиц грунта (скелета). Объемной влажностью называется отношение объема воды в образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта). Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 % (например, у ила, торфа). Поэтому:

                   ; 

22. Что называется степенью влажности Sr, и в каких пределах она изменяется? (справедливо для раздельнозернистых грунтов, т.к. только раздельнозернистые грунты могут быть полностью водонасыщены).

Коэффициентом (индексом) водонасыщенности, или степенью влажности грунта, называется отношение природной влажности грунта w к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой, wsat. Коэффициент водонасыщенности Sr изменяется от нуля (для абсолютно сухого грунта) до единицы (для полностью водонасыщенного грунта). Он вычисляется по формуле:

                                                                              где ρw-плотность воды =1г/см3.

Грунты называются маловлажными при Sr <0,5, влажными при 0,5< Sr <0,8 и насыщенны-ми   водой при Sr >0,8.

23.  Чему равна плотность взвешенного в воде грунта?

Плотность взвешенного в воде грунта ρsb равен плотности грунта в атмосфере ρ за вычетом плотности воды ρw, то есть:

Эта формула  пригодна для грунта с  любой водонасыщенностью, то есть при полном и неполном заполнении пор водой (в этом случае считается, что воздух, имеющийся в грунте, не замещается водой). Удельный вес грунта, но с полностью заполненными водой порами (W =Wsat ), то есть когда

Плотность взвешенного в воде грунта может быть определена по формуле:

24.  Для каких целей нужны классификация грунтов и классификационные показатели?

Классификация грунтов необходима для объективного присвоения грунту одного и того же наименования и установления его состояния вне зависимости от того, кем и в каких целях они производятся. Наименование и состояние грунта устанавливаются по классификационным показателям.

25. Что называется числом (индексом) пластичности Iр глинистого грунта и что оно показывает?

Числом (индексом) пластичности глинистого грунта называется разность между влажностями на границе текучести WL и на границе раскатывания или пластичности Wp. Число (индекс) пластичности связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц и может служить классификационным показателем для отнесения глинистого грунта к супеси, суглинку или глине. Т.е. число пластичности необходимо для определения вида глинистого грунта.

При 1<Ip≤7 глинистый грунт называется супесью, при 7<Ip≤17 называется суглинком и при Ip >17 - глиной.  (Здесь Іp в процентах)

26. Что такое показатель консистенции Il (индекс текучести) глинистого грунта и зависит ли он от естественной влажности W? В каких пределах он изменяется?

Показатель консистенции IL (индекс текучести) глинистого грунта характеризует состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так и положительным, в том числе и более единицы (грунты текучей консистенции). При изменении IL в пределах от нуля до единицы грунты имеют пластичную консистенцию.

Показатель консистенции  IL определяется в долях единицы по формуле:

Для суглинков и глин диапазон изменения IL от нуля до единицы (пластичное состояние) подразделяется на четыре равных поддиапазона: грунты полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные и текучепластичные.

27. Где и каким образом определяются  характеристики (показатели) свойств    грунтов?     

 Показатели физических  свойств грунтов определяются  либо на отобранных в натуре  в массиве образцах грунтов естественного сложения, т.е. ненарушенной структуры , либо непосредственно путем испытания грунтов, находящихся в грунтовом массиве, то есть в полевых условиях. При испытаниях следует выполнять требования соответствующих ГОСТов  или ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования.

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ  СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

28. Чем обусловлена сжимаемость  грунтов? За счет чего происходит сжатие полностью водонасыщенных грунтов?

Сжимаемость грунтов  обусловливается изменением их пористости вследствие переупаковки частиц, ползучестью водных оболочек, вытеснением воды из пор грунта. Сжатие полностью водонасыщенных грунтов возможно только при условии вытеснения воды из пор грунта.

29. Для чего служит одометр (компрессионный  прибор)?

Одометр - прибор, служащий для определения сжимаемости грунта. Деформации в одометре возможны только в вертикальном направлении, горизонтальные деформации отсутствуют. Вертикальное напряжение изменяется ступенями и является известным, боковые напряжения реактивные и остаются неизвестными. Деформации измеряются в зависимости от усилий приложенных на штамп ступенями до стабилизации осадки.

30. В каких координатах изображается компрессионная кривая? Какой вид имеет зависимость между осадкой штампа одометра и вызывающей её нагрузкой?

Компрессионная  кривая изображается в координатах: коэффициент пористости е - давление P, МПа, Для полностью водонасыщенных глинистых грунтов она может быть представлена в координатах: влажность W - давление P, МПа.(Но в этом случае практически невозможно фиксировать величину влажности на разных ступенях нагружения) Зависимость осадки штампа S, мм, от нагрузки P, МПа, так же может считаться компрессионной кривой.

31. Как записывается закон сжимаемости (или закон уплотнения) в дифференциальной и разностной формах?

Закон сжимаемости (или закон уплотнения) в дифференциальной форме имеет вид:

 или      

где е - коэффициент пористости, р - давление, a - коэффициент сжимаемости, МПа-1.  Знак минус перед a вызван тем, что при увеличении давления коэффициент пористости уменьшается.

Полученное соотношение  имеет особое значение в механике грунтов и кладется в основу установления ряда её фундаментальных положений: принципа линейной деформируемости, принципа гидроёмкости, дифференциального уравнения консолидации и др. и называется законом уплотнения грунтов.

В разностной форме этот закон записывается в следующем виде:

                                 

и формулируется так: бесконечно малое изменение относительного объёма пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления.

32. Закон Гука в главных нормальных напряжениях. Сколько независимых характеристик сжимаемости вы знаете?

Закон Гука записывается в следующем виде:

;

                                                     ;

                                                  .

Поскольку оси х, у и z совпадают с главными осями, касательные напряжения вдоль них равны нулю, то есть Независимых характеристик сжима-емости (деформируемости) для изотропного грунта две: 1) модуль общей (упругой и остаточной) деформации- Е0, МПа и 2) коэффициент Пуассона- µ0.

33. Что называется коэффициентом Пуассона?

Коэффициентом Пуассона называется отношение относительных деформаций поперечной εx к продольной εy взятое с обратным знаком, в случае, если действуют только вертикальные напряжения σz(напряжения σх и σу в этом случае отсутствуют).

34.Что  называется коэффициентом бокового  давления грунта, от чего он зависит и как связан с коэффициентом Пуаасона?

Коэффициентом бокового давления грунта ξ называется отношение приращения бокового давления Δσx(илиΔσy) к приращению вертикального давления Δσz, при обязательном отсутствии боковых деформаций (εx= εy =0), то есть

;   εx= εy =0.

Боковое давление в этом случае является реактивным. Примером может служить грунт, обжимаемый в одометре (компрессионном приборе). Коэффициент бокового давления зависит от вида грунта, его плотности и влажности. С коэффициентом Пуассона он связан следующей зависимостью:

Он изменяется в пределах от 0 до 1.

35 Закон Дарси. Какова размерность коэффициента фильтрации? От чего он зависит? Что такое начальный градиент фильтрации?

Закон Дарси записывается так:


то есть, скорость фильтрации грунтовых вод прямо- пропорциональна градиенту напора I и некоторому коэффициенту характеризующему водопроницаемость грунта, т.е.коэффициенту фильтрации кф. Коэффициент фильтрации зависит от вида грунта, размера его пор (то есть от линейного размера пор, но не пористости), от температуры жидкости (меняется ее вязкость). 


Начальный градиент фильтрации - величина градиента фильтрации в  глинистых грунтах, при котором  начинается практически ощутимая фильтрация. Закон Дарси с учётом начального градиента фильтрации выражается следующим образом:

    при  

vф = 0       при   I ≤ I0

36. Закон Кулона. Что называется углом внутреннего трения?

Под действием  внешней нагрузки в отдельных  точках (областях) грунта эффективные напряжения могут превзойти внутренние связи между частицами грунта, при этом возникнут скольжения (сдвиги), и прочность грунта может быть превзойдена.

Внутренним  сопротивлением части в песках будет  лишь трение, а в глинах (связных грунтах) плюс вязкие, водно-коллоидные связи. Разделить эти сопротивления не представляется возможным.

Закон Кулона (1773г.) имеет следующий вид :

а формулируется: предельное сопротивление грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному давлению.

φ –угол внутреннего трения - параметр линейного графика среза образца грунта;

tgφ-коэффициент внутреннего трения;  c- удельное сцепление.

 

Результаты испытания  глинистого грунта прямым срезом.

37. От чего  зависит угол внутреннего трения песка? Что такое угол естественного откоса и совпадает ли он с углом внутреннего трения?

Угол внутреннего  трения зависит от крупности и  минералогического состава песка, от его пористости и в значительно меньшей степени от влажности (часто от влажности совсем не зависит). Угол внутреннего трения не совпадает по своей величине с углом естественного откоса, именуемого иногда углом "внешнего трения". Угол естественного откоса влажного песка может быть больше угла внутреннего трения, так как в этом случае действуют капиллярные силы, удерживающие откос от разрушения.

38. Чем вызвано сопротивление срезу  связного грунта (глинистого грунта)?

Сопротивление срезу  связного глинистого грунта характеризуется  междучастичными связями - пластичными  водно-коллоидными и хрупкими цементационными связями.

39. Что такое открытая и закрытая системы испытаний глинистого грунта?

При открытой системе вода имеет возможность  под действием передающегося на нее давления выходить из пор грунта наружу, то есть отфильтровываться. При закрытой системе вода не имеет возможности выходить из грунта, то есть вода полностью остается в порах грунта и не перемещается.

40. Что такое  полное, эффективное и нейтральное давления? Что называется  гидростатическим  и  поровым давлениями?

Полное давление - это все давление, приходящееся на данную площадку. Эффективное давление - это часть полного давления, воспринимаемая минеральным скелетом грунта.

Нейтральное давление - давление, воспринимаемое водой. Таким образом, эффективное и нейтральное давления составляют полное давление. Гидростатическое и поровое давления составляют в сумме давление в воде, то есть нейтральное давление. Гидростатическое давление - это давление, которое установится в воде, когда полностью исчезнет избыточное по отношению к нему давление, то есть поровое давление.

Эффективным давление на скелет грунта называется потому, что оно повышает сопротивление грунта срезу.

41. Каково минимальное число опытов  для определения угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с?

Поскольку неизвестных две величины, то и минимальное число опытов - два (потом решаются два уравнения с двумя неизвестными). Для несвязного грунта, у которого с = 0, минимально возможен один опыт, с помощью которого устанавливается величина угла внутреннего трения φ. Это и есть минимальное количество опытов, но исключающее возможность статистической обработки результатов.

42. Какие методы  определения характеристик прочности грунтов в полевых условиях вы знаете?

В полевых  условиях в основном распространены следующие методы испытаний:          1) сдвиг штампа, прибетонированного к грунту; 2) срез целика, помещенного в обойму и нагруженного сверху нагрузкой; 3) испытание крыльчаткой; 4) зондирование с помощью конуса.

При сдвиге штампа он обычно прибетонируется к основанию  и часть цементного раствора затекает в грунт, обеспечивая контактное сцепление. Сдвиг целика по существу воспроизводит срезной прибор. Нагрузка сверху и сдвигающие усилия создаются домкратами, упирающимися в вертикальный портал и в упорный массив. Об испытании крыльчаткой и зондированием см.вопрос 43.

43. Что такое  крыльчатка и какую характеристику прочности можно получить с ее помощью?



Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно 
перпендикулярные, расположенные в вертикальной плоскости пластинки, насаженные на вертикальную ось (см. рис.). К этой оси прикла- 
дывается крутящий момент М и измеряется его предельная величина. По 
крутящему моменту вычисляется сопротивление сдвигу глинистого грунта τs, имея в виду, что τs определяется сцеплением грунта  (трение не учитывается, поэтому результаты более надежны для грунтов с относительно малым углом внутреннего трения и при малых глубинах испытаний, где давление от собственного веса грунта невелико).

При расчетах принимают обычно, что получаемое по лопастным испытаниям сопротивление сдвигу τs приближенно равно общему сцеплению грунта, т.е. τs≈ с.

44. Принцип линейной деформируемости? Какова зависимость между общими деформациями и напряжениями?

 При не очень больших изменениях внешних давлений (1-3кгс/см2), а для плотных и твердых (5-7кгс/см2) с достаточной для практических целей точностью зависимость между деформациями ε и напряжениями σ может приниматься линейной. Это значительно упрощает расчеты и не вносит в них недопустимых погрешностей.Как показано проф. Н.М.Герсевановым (1931), если зависимость между общими деформациями и напряжениями линейна, то для определения напряжений в грунтах полностью будут применимы решения теории упругости.

Изложенное позволяет  сформулировать принцип линейной деформируемости:

-при небольших  изменениях давлений, грунты можно рассматривать как линейно деформируемые тела.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ.

45. Как вычислить вертикальные напряжения в массиве грунта от его собственного веса и чему они равны?

Вертикальное  напряжение от собственного веса грунта σz представляет собой вес столба грунта над рассматриваемой точкой с площадью поперечного сечения, равной единице. Таким образом, если в точке на глубине z грунт однородный по всей глубине, получаем:

 σz= γz,

Если имеются различные  слои, то:

.

Удельный  вес грунта ниже горизонта воды принимается  с учетом действия выталкивающей силы за счет взвешивания в воде.

На границе  водоупора  в эпюре σz имеет место скачок на величину Δσh=γw·h2.

46. Следует ли учитывать деформации грунта от его собственного веса?

Деформации грунта от его собственного веса обычно не учитываются, так как они давно завершились. Однако в том случае, если в силу обстоятельств изменяется структура грунта, то сила собственного веса грунта вызывает в нем дополнительные деформации (например, при увлажнении лессового грунта, из-за которого растворяются жесткие цементационные связи, или оттаиваний вечномерзлого грунта).

47. Какие основные положения приняты в теории упругости?

Основные положения  теории упругости следующие:

  1. Тело является сплошным и изотропным (деформационные свойства в различных направлениях одинаковы).
  2. Тело является упругим и со снятием нагрузки все деформации исчезают.
  3. Напряжения в теле отсутствуют, если нет внешней нагрузки.
  4. Тело является "бесконечно" прочным, то есть в нем не возникает разрушений и трещин, изменяющих напряженное состояние.
  5. Связь между напряжениями и деформациями является линейной и описывается законом Гука.

48. Какие основные положения приняты в теории линейно-деформируемых тел?

Для того, чтобы  можно было воспользоваться решениями  задач, имеющимися в теории упругости, приняты следующие положения:

  1. Грунт состоит обычно из трех компонентов: минерального скелета, воды и воздуха, однако возможно его рассматривать как квазисплошное тело,  то есть тело,  имеющее свойства сплошного однородного тела, в котором трещины и пустоты отсутствуют. Грунт можно рассматривать как тело изотропное, обладающее одинаковыми деформационными свойствами в разных направлениях.
  2. Для грунта характерно наличие остаточных деформаций. При полном снятии нагрузки все деформации не исчезают, а упругие (то есть восстанавливающиеся) бывают часто значительно меньше неупругих (остаточных) деформаций. Поэтому в теории линейно-деформируемых тел рассматривается только процесс нагрузки, а процесс разгрузки, если в том есть необходимость, рассматривается особо.
  3. Считается, что нагрузки на грунт не вызывают его разрушения и далеки от предельных, поэтому в грунтовом массиве не возникает трещин, разрывов, срезов и т.д., то есть не нарушается "квазисплошность".
  4. Связь между полными напряжениями и общими деформациями принимается линейной. Таким образом, считается справедливым закон Гука, связывающий напряжения и деформации. Деформации считаются малыми.