Обробка фізико-механічних характеристик ґрунтів і оцінка ґрунтових умов

1 Обробка фізико-механічних  характеристик ґрунтів і оцінка ґрунтових умов.

У завданні на виконання  курсової роботи задаються такі нормативні фізико-механічні характеристики шарів ґрунтів майданчика будівництва: питома вага ґрунту g (кН/м³), питома вага матеріалу часток ґрунту  g_s (кН/м³), вологість ґрунту на межі текучості і розкочування W_L та W_P, природна вологість W, питоме зчеплення C_n (кПа), кут внутрішнього тертя j_n (град).

Для визначення розрахункового опору  ґрунтів основи необхідно вичислити і ті характеристики ґрунту кожного шару, яких не вистачає, провести аналіз і оцінку їх несучої здатності.

Основними характеристиками при визначенні властивостей міцності для піщаних  та глинистих ґрунтів є коефіцієнт пористості е, ступіні вологості S_r, а для глинистих ґрунтів – і показник текучості I_L.

Коефіцієнт пористості   ,

де  - питома вага матеріалу часток ґрунту, кН/м³;

- питома вага сухого ґрунту (кістяка ґрунту);

де  - питома вага ґрунту, кН/м³;

- вагова вологість у долях  одиниці,

- ступінь вологості;

де  - питома вага води, дорівнює 10 кН/м³,

- показник текучості;

де  - вологість на межі розкочування;

      - вологість на межі текучості;

- число пластичності.

Питома вага піщаних ґрунтів, супісків, мулів, розташованих нижче горизонту ґрунтової або поверхневої води, визначається з урахуванням дії води, яка зважує вагу, а суглинків, глин – у відповідності з [1, п. 7.6].

      g_SB - питома вага ґрунту з урахуванням зважування ваги.

 При проектуванні інженерних споруд дуже важливо виконати оцінку ґрунтових умов. За даними інженерно геологічних вишукувань отримуються данні по геологічним умовам району будівництва.

Розрахункові характеристики ґрунтів приймаються в залежності від видів ґрунтів. Розрахункові за першою групою граничних станів (розрахунки на міцність, несучу здатність) друга група (розрахунки за деформаціями (осідання опори)). Розрахунок характеристик для першої групи граничних станів.

 

1 шар , пісок мілкий

1.Питома вага ґрунту

1-ша група граничних станів   2-га група граничних станів

γ=19,4 кН/м³

0,5 кН/м³     0,3 кН/м³

γ₁’= 19,4 + 0,5= 19,9 кН/м³   γ₂’=19,4+0,3 =19,7 кН/м³

γ₁’’=19,4 – 0,5 =18,9 кН/м³               γ₂’’= 19,4 – 0,3  =19,1 кН/м³

γ₁= 18,9 – 19,9 кН/м³   γ₂ = 19,1 – 19,7 кН/м³

 кН/м³    кН/м³

2.Кут внутрішнього тертя

φ= φ_н φ

φ= 3°     φ= 2°

φ’₁=36+3 =39°   φ’₁=36+2 =38°

φ’’₂=36 – 3 =33°   φ’’₂=36 – 2 =34°

φ₁= 33° – 39°       φ₂= 34° – 38°

3.Коефіцієнт пористості

    

   

   

   

4.Ступінь вологості

                                                                  

  

  

Виходячи з того що пісок мілкий необхідно визначити їх ступінь вологості за даними: 

5. Питома вага ґрунту з урахуванням зважувальної дії води.

 кН/м³   кН/м³

 кН/м³   кН/м³

Аналізуючи отримані данні робимо висновок:

Пісок мілкий насичений водою, середньої щільності.

2 шар, пісок крупний

1.Питома вага ґрунту

1-ша група граничних  станів   2-га група граничних станів

                                                  γ=19,1 кН/м³

0,5 кН/м³    0,3 кН/м³

γ₁’= 19,1+0,50 =19,6 кН/м³   γ₂’=19,1+0,3 =19,4 кН/м³

γ₁’’= 19,1 – 0,5 =18,6 кН/м   γ₂’’=19,1 – 0,3 =18,8 кН/м³

γ₁= 19,6 – 18,6 кН/м³   γ₂ = 19,4 – 18,8 кН/м³

 кН/м³    кН/м³

2.Кут внутрішнього тертя

φ= φ_н φ

φ= 3°     φ= 2°

φ’₁=38+3 =41°   φ’₁=38+2 =40°

φ’’₂=38 – 3 =35°   φ’’₂=38 – 2 =36°

φ₁= 41° – 35°        φ₂= 40° – 36°

3.Коефіцієнт пористості

                                                            

   

   

   

4.Ступінь вологості

                                                                  

  

  

5. Питома вага ґрунту з урахуванням зважувальної дії води.

 кН/м³   кН/м³

 кН/м³   кН/м³

Аналізуючи отримані данні робимо висновок:

Пісок мілкий насичений водою, середньої щільності.

3 шар, глина

1.Питома вага ґрунту

1 група граничних станів   2 група граничних станів

                                                  γ=20,0 кН/м³

0,5 кН/м³    0,3 кН/м³

γ₁’= 20,0+0,50 =20,5 кН/м³   γ₂’=20,0+0,3 =20,3 кН/м³

γ₁’’= 20,0 – 0,5 =19,5 кН/м   γ₂’’=20,0 – 0,3 =19,7 кН/м³

γ₁= 20,5 – 19,5 кН/м³   γ₂ = 20,3– 19,7 кН/м³

 кН/м³    кН/м³

2.Кут внутрішнього тертя

                                                           φ= φ_н φ

φ= 3°     φ= 2°

φ’₁=22+3 =25°   φ’₁=22+2 =24°

φ’’₂=22 – 3 =19°   φ’’₂=22 – 2 =20°

φ₁= 15° – 19°        φ₂= 24° – 20°

3.Коефіцієнт пористості

                                                              

   

   

   

4. Число пластичності

I_P=W_L-W_P= 39– 17 =22, глина.

5. Показник консистенції.

, напівтвердий ґрунт.

Так як I_L≤0,25 то визначити питому вагу ґрунту з урахуванням зважувальної дії води не потрібно .

Аналізуючи отримані данні робимо висновок:

Глина напівтверда.

Таблиця 1

Нормативні значення фізико-механічних характеристик ґрунту.

Розрахункова характеристика	Вид ґрунту	Групи граничних станів
		І		ІІ
		min	max	min	max
1. Питома вага γ,  кн./м	Пісок мілк.	18,9	19,9	19,1	19,7
	Пісок круп.	18,6	19,6	18,8	19,4
	Глина	19,5	20,5	19,7	20,3
2. Питома вага матеріальних  часток γs, кн./м	Пісок мілк.	26,7	26,7	26,7	26,7
	Пісок круп.	26,5	26,5	26,5	26,5
	Глина	27,4	27,4	27,4	27,4
3. Природна вологість W, %	Пісок мілк.	21	21	21	21
	Пісок круп.	20	20	20	20
	Глина	20	20	20	20
4. Кут внутрішнього тертя φ, гр.	Пісок мілк.	33	39	34	38
	Пісок круп.	35	41	36	40
	Глина	19	25	20	24
5. Питоме зчеплення,  е	Пісок мілк.	4	4	4	4
	Пісок круп.	-	-	-	-
	Глина	32	32	32	32
6. Коефіцієнт пористості, е’	Пісок мілк.	0,71	0,62	0,69	0,64
	Пісок круп.	0,71	0,60	0,66	0,61
	Глина	0,69	0,60	0,67	0,62
7. Показник текучості  ІL	Пісок мілк.	-	-	-	-
	Пісок круп.	-	-	-	-
	Глина	0,14	0,14	0,14	0,14
8. Число пластичності ІР	Пісок мілк.	-	-	-	-
	Пісок круп.	-	-	-	-
	Глина	22	22	22	22
9. Ступінь вологості	Пісок мілк.	0,79	0,90	0,91	0,88
	Пісок круп.	0,75	0,88	0,80	0,87
	Глина	0,79	0,91	0,82	0,88
10. Питома вага з  урахуванням зважуючої дії води γsw	Пісок мілк.	9,77	10,30	9,88	10,18
	Пісок круп.	9,65	10,31	9,94	10,25
	Глина	10,30	10,88	10,42	10,74

 

 

 

 

 

2 Перевірити міцність  перерізу по обрізу фундаменту.

 

На проміжну опору моста діють  постійні навантаження від сумарної ваги прольотних будов і проїжджої  частини Р₁, ваги опори Р_ОП і ряд тимчасових навантажень (від пересувного складу рухомого транспорту Р₂, сил ударів пересувного складу F_y, сил гальмування F_T, тиску криги F_л та інше).

Нормативну вагу прольотних будов  та елементів проїжджої частини  рекомендується обчислювати за даними типових проектів чи аналогів.

Нормативне тимчасове вертикальне  навантаження від пересувного складу на автомобільних дорогах приймають  згідно з нормами [1, п. 2.12-2.15]. У курсовій роботі вертикальні навантаження задаються.

Нормативна вага опор

де V₁– об’єм тіла опори та ригеля, м³;

γ_б – питома вага бетону, кН/м³.

Нормативне горизонтальне  поперечне навантаження від ударів пересувного складу F_y [1, п. 2.9], незалежно від числа смуг руху по мосту, треба приймати 5,9К, де К – клас навантаження.

У курсовій роботі горизонтальне навантаження від гальмування беремо з завдання F_т = 280 Н.

Навантаження від тиску криги  на опори моста при відсутності  вихідних даних про льодове становище  треба визначити за формулою:

Де y - коефіцієнт форми опори (обчислюється за [1, табл.. 2 додатку 10]. Для опори на півциркульного контуру y = 0,9; розрахунковий опір криги R_r1 = к_п×R_r1.

R_ч1 – межа міцності криги на роздрібнення (з урахуванням місцевого стиснення) для першого району країни;

к_п – кліматичний коефіцієнт для даного району країни; визначається за [1, табл. 1. додатку 10];

b – ширина опори  на рівні дії криги, м;

t – товщина криги,  м;

Рівнодіючу льодового  навантаження F_л необхідно прикладати у точці, розташованій на 0,3t нижче розрахункового рівня води.

Для першого району країни R_r1 у початковій стадії льодоходу (або першому пересуванні на рівні меженної води) дорівнює 735 кПа; при найвищому рівні льодоходу – 441 кПа.

При зазначених на рисунку  розмірах опори

Розрахунки зусиль від  діючих навантажень і їх сполучень  по обрізу фундаменту приводимо у  формі табл. 2.

 

Таблиця 2

Зусилля у перерізі опори по обрізу фундаменту

 

Сила, діюча в січенні по обрізу фундаменту	Вертикальні сили, кН			Горизонтальні сили, кН			Плече відносно осі, м		Момент відносно осі, кН·м
	Нормативні	Коефіцієнт  γF	Розрахункові	Нормативні	Коефіцієнт  γF	Розрахункові
							Х	У	МХ	МУ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Вага опори	2669	1,2	2939
Вага прогонних будов і проїзної частини 2·Р1	10000	1,2	12000
Вертикальне навантаження АК на одному прогоні Р2	2800	1,2	3360				0,75		2520
Вертикальна авто-навантаження АК на обох прогонах 2·Р2	5600	1,2	6720
Сила гальмування F1				280	1,2	336	8,5		2856
Тиск льоду на рівні РВВ Fл1				182	1,2	219		7		1533
Тиск льоду на рівні РМВ Fл2				328	1,2	394		2		788

 

  Розрахункові зусилля  необхідно обчислювати з урахуванням  коефіцієнту надійності за навантаженням gf [1, п. 2.10].

Зусилля, які діють  у перерізі при різних сполученнях  тимчасових навантажень, визначаються перемноженням розрахункових зусиль на коефіцієнт сполучення h. Коефіцієнти сполучень, які враховують зменшення ймовірності одночасової появи розрахункових навантажень, визначаємо за нормами [1, п. 2.2].

У курсовій роботі переріз  опори приводимо до прямокутного перерізу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 3

Сполучення навантажень у перерізі по обрізу фундаменту

Номер сполучення	Сили діючи в січені опори  по обрізу фундаменту	Коефіцієнт сполучення η	Сили, кН		Моменти, кН·м		Ексцентриситет, м		Відносні ексцентриситети
			Вертикальні	Горизонтальні	Мх	Му
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	Вага опори  Роп	1	2939
	Вага прогонних будов 2Р1	1	12000
	Постійне навантаження	1	14939
	Тимчасове навантаження АК на одному прогоні	1	3360		2520
	Всього		18299		2520		0,137		0,242
2	Постійне навантаження	1	14939
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	1	10000
	Всього		24939
3	Постійне навантаження	1	14939
	Тимчасове навантаження АК на одному прогоні	0,8	2680		2016
	Сила гальмування	0,8		269	2285
	Всього		17627	269	4301		0,244		0,431
4	Постійне навантаження	1	14939
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	0,8	5376
	Сила гальмування	0,8		269	2285
	Всього		20315	269	2285		0,112		0,198

 

 

 

Продовження таблиці 3.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
5	Постійне навантаження	1	14939
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	0,8	5376
	Тиск льоду на РМВ	0,7		279		552
	Всього		20315	276		552		0,027		0,030
6	Постійне навантаження	1	14939
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	0,8	5376
	Тиск льоду на РВВ	0,7		153		1073
	Всього		20315	153		1073		0,053		0,059

 

Перевірку міцності опори  по обрізу фундаменту виконуємо згідно з нормами [1, п. 3.66] у формі табл. 4.

 

Таблиця 4

Перевірка міцності масивної опори

 

Номер сполучення	Вертикальне зусилля N, кН	Площа перерізу А, м2	N/A, кПа	1/φ	, кПа	Rб, кПа
1	18299	18,36	997	1,042	1039	10500
2	24939	18,36	1358	1	1358
3	17627	18,36	960	1,06	1018
4	20315	18,36	1106	1,1	1217
5	20315	18,36	1106	1,004	1110
6	20315	18,36	1106	1,004	1110

 

 

R_б - розрахунковий опір бетону (приймаємо по [1, табл. 23]); для бетону В 20 дорівнює R_б = 10500 кПа.

Міцність  перерізу опори  по обрізу фундаменту забезпечена оскільки        s_max = 1358 < R_б = 10500 кПа

 

1.3 Перевіряємо несучу  здатність основи на рівні підошви фундаменту.

 

При заглиблені фундаменту у піски і супіски нормативне навантаження від ваги опори та фундаменту на рівні підошви слід визначати  з урахуванням виштовхуючої дії  води.

P_общ = Р_оп [(а₂ +1)(в₂ + 1)×1,25 + (а₂ + 2)(в₂ + 2) × 1,25] × γ_жб – V_ф × γ_w

P_общ = 2669×[(5,4+1)(3,4+1)×1,25+(5,4+2)(3,4+2)×1,25]×25–85,15×10=3946

Розрахунки зусиль від  діючих навантажень приводимо у  вигляді табл. 5-6.

 

Таблиця 5

Зусилля у перерізі по підошві фундаменту

 

Сила, діюча в січенні по обрізу фундаменту	Вертикальні сили, кН			Горизонтальні сили, кН			Плече відносно осі, м		Момент відносно осі, кН·м
	Нормативні	Коефіцієнт  γF	Розрахункові	Нормативні	Коефіцієнт  γF	Розрахункові
							Х	У	МХ	МУ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Вага опори і фундаменту	3946	1,1	4341
Вага прогонних будов і проїзної частини 2·Р1	10000	1,2	12000
Тимчасове навантаження АК на одному прогоні Р2	2800	1,2	3360				0,75		2520
Тимчасове навантаження АК на обох прогонах 2·Р2	5600	1,2	6720
Сила гальмування F1				280	1,2	336	11		3696
Тиск льоду на рівні РВВ				182	1,2	219		9,5		2081
Тиск льоду на рівні РМВ				328	1,2	394		4,5		1773

 

Таблиця 6

Сполучення навантажень  у перерізі по підошві фундаменту.

 

Номер сполучення	Сили діючи в січені опори  по обрізу фундаменту	Коефіцієнт сполучення η	Сили, кН		Моменти, кН·м		Ексцентриситет, м		Відносні ексцентриситети
			Вертикальні	Горизонтальні	Мх	Му
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	Вага опори і фундаменту	1	4341

Продовження таблиці 6.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
	Вага прогонних будов	1	12000
	Постійне навантаження	1	16341
	Тимчасове навантаження АК на одному прогоні	1	3360		2520
	Всього		19701		2520		0,128		0,142
2	Постійне навантаження	1	16341
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	1	6720
	Всього		23061
3	Постійне навантаження	1	16341
	Тимчасове навантаження АК на одному прогоні	0,8	2688		2016
	Сила гальмування	0,8		269	2957
	Всього		19029	269	4973		0,261		0,290
4	Постійне навантаження	1	16341
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	0,8	5376
	Сила гальмування	0,8		269	2957
	Всього		21717	269	2957		0,136		0,151
5	Постійне навантаження	1	16341
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	0,8	5379
	Тиск льоду на РМВ	0,7		276		1241
	Всього		21717	276		1241		0,057		0,046

 

 

 

 

 

Продовження таблиці 6.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
6	Постійне навантаження	1	16341
	Тимчасове навантаження АК на обох прогонах	0,8	5376
	Тиск льоду на РВВ	0,7		154		1458
	Всього		21717	154		1458		0,067		0,054

 

Аналіз граф 8 і 9 табл. 6 показує, що відносні ексцентриситети  від постійного і тимчасового  навантажень не перевищують одиниці [1, п. 7.7], отже розрахунок крену фундаменту можна не проводити. Таким чином, забезпечується виконання норм [1, п. 1.46], по перевірці горизонтального зміщення верху опори.

Проводимо перевірку  несучої здатності основи , використовуючи вище приведені умови. Розрахунки зводимо до табл. 7.

 

Таблиця 7

Перевірка міцності ґрунтової  основи

Номер сполучення	N, м	А, м2	N/A, кПа			1±	1±	Рmax, кПа	Рmin, кПа	R×γс/γn, кПа
1	19701	40	492,5	0,142		1,142 0,858		563	423
2	23061	40	576,5	0		1/1		576,5	576,5
3	19029	40	475,7	0,290		1,290 0,710		614	228
4	21717	40	542,9	0,151		1,151 0,849		625	461
5	21717	40	542,9		0,046		1,046 0,954	570	543
6	21717	40	542,9		0,054		1,054 0,946	572	514