Естественное грунтовое основание

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Механика грунтов тесно связана с инженерной геологией, но призвана решать задачи, связанные с возведением инженерных сооружений на грунтовом основании, используя математические методы.

Основные понятия

Рис. 1.1. Схема взаимодействия сооружения с основанием.

Грунтами принято называть любые горные породы, являющиеся объектами инженерной деятельности человека.

Фундамент - часть сооружения, лежащая ниже поверхности земли и передающая нагрузку от него на грунтовое основание.

Грунтовое основание - толща грунта, воспринимающая нагрузку от фундамента и деформирующаяся под ее действием.

Естественное основание - состоит из грунта природного сложения.

Искусственное основание - состоит из привозного, уплотненного или укрепленного грунта.

Естественное грунтовое основание

Грунты разделяются на два основных вида: скальные и дисперсные. В скальных грунтах прочность связей между частицами сопоставима с прочностью самих частиц. В дисперсных грунтах прочность связей между частицами значительно меньше прочности частиц или вообще отсутствует.

Выбирая площадку для проектируемого сооружения и изучая геологические разрезы, проектировщик стремится получить ответы на следующие вопросы:

1) какая будет величина осадок и когда они завершатся?

2) выдержит ли основание нагрузку от сооружения без разрушения?

Первый вопрос касается определения конечной величины деформаций и времени их затухания. Все дисперсные грунты под давлением деформируются. Дефомируемость, осадки, крен сооружений обычно заканчиваются не сразу.

Второй вопрос касается определения несущей способности грунтов. Разрушение грунтов чаще всего связано с потерей их устойчивости и проявляется в выпоре грунта из-под фундамента или сдвиге массива грунта вместе с сооружением.

1.4. Грунт – многокомпонентная среда. Физические характеристики грунтов

Только глубинные скальные грунты магматического происхождения могут быть совершенно плотными, практически без внутренних пор. Все дисперсные грунты имеют поры и состоят из отдельных частиц минерального вещества, которое находится в раздробленном состоянии.

В порах дисперсных грунтов могут присутствовать вода (жидкость), воздух (газ) и водяной пар. Минеральные частицы являются твердой компонентой грунта, вода - жидкой, воздух и пар - газообразной. Чаще всего грунт образует трехкомпонентную систему. Абсолютно сухой грунт представляет собой двухкомпонентную систему. Если поры грунта заняты целиком водой, то также получается двухкомпонентная система, называемая грунтовой массой.

Представим себе грунт в виде кубика, каждая сторона которого равна единице. Объем кубика V, масса – m. Соберём все минеральные частицы на дне кубика, их масса и объем . Среднюю часть кубика займет вода. Масса воды - , объем - . Оставшийся объем кубика заполнит воздух, содержавшийся в порах грунта , .

[г, т], V_гр [см³, м³]- масса и объем кубика грунта;

, - масса и объем частиц;

, , - масса и объем воды;

, - масса и объем воздуха.

Плотность грунта есть отношение массы грунта к его объему:

;

(1.1)

плотность частиц грунта:

;

(1.2)

плотность скелета грунта:

.

(1.3)

Влажность грунта – отношение массы воды к массе твёрдых частиц, выражаемое в долях единицы или в процентах:

.

(1.4)

В единичном кубике принято обозначать:

Пористость - n равна отношению объема пор, к объему всего образца грунта:

,

(1.5)

Пористость всегда меньше 1.

Так как объем кубика со сторонами, равными единице равен единице, то суммарный объем пор и частиц тоже равен единице

(1.6)

Коэффициент пористости - равен отношению объема пор к объему твердых частиц грунта:

,

(1.7)

коэффициент пористости е может быть больше 1 в макропористых, органических грунтах.

Если плотность умножить на ускорение свободного падения g, то соответственно получим:

удельный вес грунта:

[кН/м3];

(1.8)

удельный вес частиц грунта:

[кН/м3];

(1.9)

удельный вес скелета грунта:

[кН/м3].

(1.10)

Параметры физических свойств грунта связаны между собой следующим образом:

[кН/м3];	(1.11)
.	(1.12)

Степень влажности равна той доле объема пор, которая занята водой и вычисляется по формуле:

(1.13)

где: ≈ 10 кН/м³ - удельный вес воды.

К физическим характеристикам глинистых грунтов, кроме перечисленных, относятся так называемые параметры пластичности.

Пластичностью называют способность глинистых грунтов менять свою форму под действием внешней нагрузки, без изменения объема. Пластичность зависит от влажности грунта. Существуют характерные влажности, при переходе через которые грунт резко меняет свои свойства, эти влажности и называются параметрами пластичности.

Граница текучести - влажность, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние. При этом поры почти целиком заняты водой, за исключением мельчайших пузырьков защемленного воздуха.

Граница раскатывания - влажность, при незначительном уменьшении которой, глинистый грунт переходит в твердое состояние.

Число (индекс) пластичности - разница между влажностью на границе текучести и на границе раскатывания:

.

(1.14)

Рис. 1.3. Консистенция и изменение показателя текучести I_L в зависимости от влажности W.

Число пластичности не зависит от природной влажности.

Чем больше число пластичности, тем больше он содержит глинистых частиц.

При изменении влажности изменяется консистенция грунта. Сухой грунт имеет твердую консистенцию, увлажненный - пластичную, водонасыщенный - текучую.

Показатель консистенции (индекс текучести) - зависит от природной влажности грунта и его параметров пластичности:

;

(1.15)

У твердого грунта ≤ 0, у текучего > 1.