Об’єм дисципліни “Механіка грунтів, основи і фундаменти” для студентів спеціальності 7.092101 ”Промислове та цивільне будівництво”.

Механіка грунтів, основи і фундаменти

Значення і зміст дисципліни. Надійність та економічність будівництва споруд залежить значною мірою від правильного вибору та розрахунку будівельних конструкцій, в тому числі основ і фундаментів. Надійність основ і фундаментів та здешевлення робіт по їх влаштуванню, в свою чергу, залежить від вміння правильно оцінювати інженерно-геологічні умови будівельних майданчиків, властивості грунтів основ і сумісну роботу цих грунтів з фундаментами та надземними конструкціями будівлі, від раціональності вибраних типів основ і фундаментів і розмірів останніх, від якості виконання робіт.

Як відомо, кошторисна вартість зведення підземних частин будівель і споруд для звичайних грунтових умов становить від 10 до 25% кошторисної вартості споруди. У складних інженерно-геологічних умовах частка нульового циклу досягає 40-45% кошторисної вартості всієї споруди.

Згідно з світовою статистикою 80% аварій будівель і споруд відбувається через різні недоліки й помилки при проектуванні, будівництві та експлуатації основ і фундаментів. Витрати на усунення цих аварій, як правило, набагато більші за початкову вартість будівництва.

Завдання, які стоять перед сучасним фундаментобудуванням: з одного боку – зниження вартості та матеріаломісткості основ і фундаментів, а з другого - підвищення їх надійності.

Теорія і практика поставлених завдань розглядається в курсі “Механіка грунтів основи і фундаменти”, який складається з трьох розділів: природа і фізичні властивості грунтів; механіка грунтів; основи і фундаменти.

В розділі природа і фізичні властивості грунтів розглядаються інженерно-геологічні дослідження, фізичні і механічні властивості дисперсних середовищ, а також фізико-механічні процеси взаємодії твердої, рідкої і газоподібної складових грунту. Розділ механіка грунтів вивчає напружено - деформівний стан, міцність і стійкість грунтів. Механіка грунтів є теоретичною базою для проведення розрахунків грунтових основ. В розділі основи і фундаменти розглядаються розрахунки, проектування та будівництво фундаментів як частини споруди.

Курс “Механіка грунтів основи і фундаменти” для інженера-будівельника є профілюючим. Він поряд з курсами “Будівельна механіка”, “Архітектура будівель і споруд”, “Інженерні конструкції”, “Будівельні вироби і матеріали” дозволить майбутньому інженеру-будівельнику, після вивчення матеріалу, викладеного в даному конспекті, правильно оцінити інженерно-геологічні умови будівельного майданчика, проектувати основи і фундаменти і виконувати роботи по їх влаштуванню.

Основні визначення.Грунти- це гірські породи та техногенні утворення, які є об’єктом інженерно-господарської діяльності людини і можуть слугувати основами, середовищем і матеріалами для різних будівель і споруд.

Основи - це шари грунтів, що сприймають навантаження від фундаментів будівель і споруд. Розрізняють природні та штучні основи. Природна основа має місце в тому випадку, коли її не потрібно поліпшувати. Штучна основа - якщо грунт в природному стані непридатний для сприйняття діючого навантаження і необхідне його поліпшення.

Фундамент - підземна або підводна частина будівлі чи споруди, що передає навантаження на основу. Надземні конструкції 1 (рис.1) опираються на верхню площину фундаменту 2, яка називається обрізом. Нижню площину фундаменту 3 називають підошвою. 4 – несучий шар грунту, 5 – підстилаючий шар.

Глибина закладення фундаменту - це відстань по вертикалі між поверхнею грунту і підошвою фундаменту.

За конструктивними і технологічними особливостями влаштування фундаменти бувають: мілкого закладення - передають навантаження на основу через свою підошву і споруджуються у відкритих котлованах з попереднім вийманням грунту; пальові фундаменти - опираються на відносно довгі вертикальні або малопохилі стержні - палі; глибокого закладення - занурюються в грунт з одночасним вийманням грунту з під них (опускні колодязі, кесони, стіна в грунті). Всі ці типи фундаментів можуть бути стрічковими, стовпчатими, плитними.

Стрічкові фундаменти приймаються під безперервні стіни; стовпчаті фундаменти - під колони та стіни (в комбінації з балками); масивні фундаменти влаштовуються у вигляді жорсткого масиву під всією спорудою; плитні фундаменти - у вигляді суцільних, як правило, залізобетонних плит під всією спорудою.

Об’єм дисципліни “Механіка грунтів, основи і фундаменти” для студентів спеціальності 7.092101 ”Промислове та цивільне будівництво”.

Розділ І. ПРИРОДА І ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГРУНТІВ

Тема 1. Основні відомості про Землю і гірські породи

1. Походження грунтів. Земна куля складається з ядра, мантії і кори. Товщина останньої змінюється від 3 (під дном океанів) до 84км у горах. Нижня частина кори складена базальтами, верхня - переважно гранітами, над якими залягають осадові породи. Товщина останніх змінюється від 0 до 12км. За походженням всі гірські породи поділяються на три групи: магматичні, осадові і метаморфічні.

Магматичні породи утворюються в процесі кристалізації застигаючої магми.

Осадові породи виникли в результаті відкладення і накопичення на поверхні суші або в різних водоймах продуктів руйнування (вивітрювання) раніше існувавших порід і накопичення продуктів життєдіяльності рослин і тварин.

Метаморфічні породи утворюються шляхом перекристалізації у глибинних зонах земної кори магматичних та осадових порід під впливом високих температур і тиску. Ці грунти класифікуються як скельні.

Основами фундаментів служать переважно осадові неорганічні дисперсні грунти. Вони утворились шляхом вивітрювання, тобто в процесі зміни гірських порід під впливом фізичних та хімічних реагентів. Розрізняють фізичне і хімічне вивітрювання. При фізичному вивітрюванні, яке відбувається переважно під дією вітру, води, періодичної зміни температури, руйнується (роздрібнюється) материнська порода, але зберігається її мінералогічний склад. Хімічне вивітрювання призводить до зміни мінералогічного складу порід за рахунок процесів окислення, відновлення, гідратації, дегідратації та ін. Ці види вивітрювання проходять паралельно і доповнюють один одного.

Магматичні, осадові і метаморфічні породи утворилися з мінералів - самородний елемент, або природна хімічна сполука, яка має своєрідний комплекс фізико-хімічних властивостей. Великоуламкові, піщані і пилуваті частинки складаються із первинних (материнських) мінералів – фізичне вивітрювання, а глинисті - із вторинних, що утворились у процесі хімічного вивітрювання.

2. Складові компоненти грунтів. Основними компонентами грунтів є тверді частинки, вода і газ. Мінеральні частинки грунтів мають від’ємний заряд. Молекули води являють собою диполі, тому при взаємодії твердих часток і води виникають електромолекулярні сили. Ці сили притягують перших декілька шарів молекул води до мінеральних частинок з величезною питомою силою (до 1000мПа). Ця частина води називається адсорбованою (рис.1.1).

Наступні шари молекул притягуються з меншою силою і являють собою ліосорбовану воду. Вода, що знаходиться поза сферою дії електромолекулярних сил, називається вільною.

За своїми властивостями адсорбована вода нагадує швидше тверде тіло. Вона випаровується (але не кипить) при температурі більше 100⁰С, замерзає при температурі значно нижчій 0⁰С, має вищу питому вагу, ніж вільна вода. Властивості ліосорбованої води є перехідними від адсорбованої до вільної. Це пов‘язано із зменшенням сил взаємодії між поверхнею частинок і молекулами води.

Вільна вода поділяється на капілярну (переміщується в порах капілярних розмірів за рахунок сил поверхневого натягу) і гравітаційну (рух відбувається під дією напору). В грунтах може знаходитись вода також у твердому стані (лід).

Грунтові гази складаються переважно з повітря і можуть знаходитись у замкнутому стані (розміщуються в замкнутих порах), вільному стані (з’єднуються з атмосферою), бути розчиненими в поровій воді і адсорбованими твердими частинками.

Якщо всі пори грунту заповнені водою, то він є двокомпонентною системою. Такий грунт називають також грунтовою масою. Мерзлі грунти є чотирикомпонентними системами, тому що вода в них знаходиться в двох станах (лід і незамерзла вода). У деяких грунтах крім мінеральних частинок можуть знаходитись органічні речовини у вигляді рослинних залишків або гумусу. Співвідношення всіх компонентів (%) і їх взаємодія зумовлює властивості грунтів.

3. Структурні зв‘язки грунту. Окремі частинки грунтів можуть з’єднуватись між собою структурними зв’язками, які формуються внаслідок складних фізико-хімічних процесів, що відбуваються під час утворення грунту. Розвиток їх відбувається впродовж всього життя грунту. Розрізняють наступні основні види зв’язків (вони можуть існувати окремо і сумісно): капілярні, іонно-електростатичні, хімічні, молекулярні.

Капілярні зв’язки виникають у порах, що мають капілярний розмір. При високій або низькій вологості грунту вони зникають. Іoнно-електростатичні зв’язки зумовлені взаємодією від’ємно заряджених грунтових частинок і катіонів, що знаходяться між частинками. При висушуванні відстань між частинками зменшується і зростає міцність грунту. Одночасно із силами притягування діють сили відштовхування, які викликані взаємодією від’ємно заряджених частинок.

Скельні грунти мають жорсткі хімічні структурні зв’язки. В пісках зв’язки практично відсутні, за винятком дрібних вологих пісків, що мають капілярні зв’язки. В глинистих грунтах, у більшості випадків, одночасно присутні декілька видів зв’язків (наприклад, в лесоподібних - хімічні у вигляді цементаційних контактів між частинками, іонно-електростатичні і молекулярні).

4. Структура і текстура грунту. Під структурою грунту мається на увазі розмір, форма, характер поверхні, кількісне співвідношення його компонентів і характер взаємодії між ними.

Під текстурою розуміють сукупність ознак, які характеризують відносне розташування і розподіл структурних елементів в межах всієї грунтової товщі. Текстура характеризує неоднорідність будови грунту в пласті (наприклад, шаруваті піщано-глинисті грунти) .

Структура і текстура тісно пов‘язані з умовами утворення порід і зумовлюють їх фізико-механічні властивості.

Тема 2. фізичні характеристики грунтів

1. Інженерно-геологічні дослідження. Інженерно-геологічні дослідження (ІГД) проводяться з метою одержання вихідних даних для розробки проектів будівель і споруд та технології їх зведення. ІГД виконуються згідно з СНиП 1.02.07-87 [23].

У ході ІГД повинні бути виявлені з необхідною повнотою: геологічна будова ділянки - товщина шарів і характер їх залягання (горизонтальне, похиле, виклинювання шарів); фізико-механічні властивості грунтів і їх можлива зміна після зведення будівлі; інженерно-геологічні процеси і явища (зсуви, карст, суффозія, морозне здимання), гідрологічні умови (рівень грунтових вод, його зміна, вплив води на грунти та конструкції фундаментів, напрямок руху води); зроблені висновки і подані обгрунтовані рекомендації щодо придатності ділянки для будівництва.

Геологічну будову для промислових і цивільних будівель з‘ясовують на глибину активної зони фундаментів (10-15м) або на глибину, в межах якої можливі зміни властивостей грунтів (наприклад, при замочуванні).

Висновки містять загальну інженерно-геологічну оцінку ділянки будівництва. Рекомендації даються на період проектування, будівництва і експлуатації. Рекомендації на період проектування стосуються вибору типу фундаментів, несучого шару, глибини закладення фундаментів тощо.

Рекомендації на період будівництва стосуються вибору доцільних для даної ділянки методів виконання робіт, які виключають погіршення властивостей грунтів основи (наприклад, може бути рекомендована відривка котлована і закладення фундаменту під захистом водозниження).

Рекомендації на період експлуатації можуть містити вимоги про недопустимість встановлення устаткування, яке створює ударні чи вібраційні навантаження значної сили.

Проходження розвідувальних виробок і відбір з них зразків грунту. Одним із завдань ІГД є встановлення фізико-механічних характеристик грунтів (щільності частинок грунту, щільності грунту, природної вологості, вологості на межі текучості і межі розкочування, гранулометриного складу, міцнісних і деформативних характеристик тощо). Інколи передбачається встановлення деяких специфічних характеристик (наприклад, при проектуванні фундаментів під різні станки, механічне обладнання, під час роботи яких передаються динамічні навантаження на грунт, виникає потреба у визначенні додаткових деформативних і міцнісних характеристик грунту). Всі названі характеристики можна визначати як в лабораторних так і в польових умовах. Як відомо лабораторні дослідження проводяться на зразках грунту відібраних з монолітів (моноліт - це зразок грунту відібраний із свердловини чи шурфа і певним чином замаркований і упакований для того щоб його можна було доставити на місце проведення лабораторних досліджень без порушення природного стану грунту). Отже, для проведення лабораторних досліджень фізико-механічних характеристик грунтів необхідно влаштовувати розвідувальні виробки - шурфи і свердловини (це основні).

Шурфи – вертикальні виробки прямокутного чи круглого перерізу глибиною до 25м (проходяться вручну).

Позитивною особливістю шурфів є можливість відбору якісних зразків грунту непорушеної структури й оглянути пройдені шари грунтів в умовах їх природнього залягання. Недоліком є їх висока трудомісткість і вартість. Їх влаштовують, як правило, коли не можна пробурити свердловини (вміст глиб, валунів).

Свердловини – це вертикальні виробки, які проходять бурінням (найчастіше ударно-канатним).

З розвідувальних виробок, по мірі їх проходження відбирають зразки грунту непорушеної (моноліти) і порушеної структури. З монолітів відбирають зразки грунту для визначення щільності грунту, міцнісних і деформативних характеристик. Лабораторні дослідження по визначенню щільності частинок грунту, природної вологості, вологості на межі текучості і межі розкочування, гранулометричного складу проводять із зразками порушеної структури.

Проведення ІГД. ІГД виконують пошукові організації відповідно до технічного завдання, складеного проектними організаціями. Технічне завдання поряд з даними необхідними для проведення ІГД (схема розміщення розвідувальних свердловин, шурфів, їх діаметр і довжина, кількість монолітів з кожної свердловини) містить відомості про розміщення будівель і споруд на ділянці згідно з проектом.

До складу ІГД входять такі роботи: вивчення матеріалів раніше проведених досліджень (якщо такі були) і інженерно-геологічні розвідування. Обсяг робіт по ко-жному них різний. Це залежить від ступеня вивченості району будівництва в інже-нерно-геологічному відношенні, ступеня складності геологічної будови ділянки, особливостей фізико-механічних властивостей грунтів (просідаючі, набухаючі чи звичайні грунти); конструктивних особливостей будівлі і їх капітальності.

ІГД можуть проводитись в І і ІІ етапи. ІГД в І етап проводять в нескладних інженерно-геологічних умовах, коли розміщення будівель і споруд на ділянці забудови точно визначене, а їхні конструктивні особливості відомі. У решті випадків ІГД проводять в два етапи – спочатку для технічного звіту, а потім для робочих креслень. Дослідження на стадії технічного звіту полягають у виборі будівельного майданчика і його послідовному вивченні. Дослідження на стадії робочих креслень проводять стосовно кожної будівлі, яка розміщена на майданчику (ці дослідження є додатковими і більш детальними відносно досліджень на стадії технічного звіту). Розвідувальні виробки розміщують на ділянці з урахуванням розташування будівель і споруд, що передбачаються проектом. Відстань між виробками в межах будівлі призначають від 20 до 100 м, залежно від ступеня складності геологічної будови майданчика. В усіх випадках в межах кожної будівлі чи споруди розміщується не менше трьох розвідувальних виробок. В обох випадках (один чи два етапи) мова йде про дослідження, які призначені для зведення будівель І і ІІ класів капітальності. ІГД на ділянках, де передбачається зведення будівель ІІІ і ІV класів, проводяться прискореними методами у скороченому вигляді.

За результатами ІГД складають звіт, до якого входять пояснювальна записка і графічна частина. Пояснювальна записка містить завдання і програму досліджень, фактичний матеріал досліджень, висновки і рекомендації на періоди проектування, будівництва і експлуатації будівлі. В графічну частину входять інженерно-геологічна карта, інженерно-геологічні розрізи та інший графічний матеріал.

2. Фізичні показники грунтів.Фізичні показники грунтів поділяються на основні і похідні. Основні показники визначають експериментальним шляхом, а похідні - розраховують, для чого використовують основні. До основних відносяться: щільність грунту, щільність частинок грунту і вологість грунту (природна, на межі розкочування, на межі текучості).

Для пояснення наведених термінів виділимо деякий об’єм грунту у вигляді куба (рис. 2.1) і приймемо такі позначення: - маса твердих частинок; - об’єм твердих частинок; - маса води в грунті; - об’єм пор грунту.

Щільністьгрунту (г/см³) - відношення маси грунту, включаючи масу води в його порах, до об’єму грунту

(2.1)

Щільність грунту в лабораторних умовах найчастіше визначають методом ріжучого кільця, тобто заповнюють кільце грунтом і зважують. Якщо не можна вирізати ножем зразок грунту правильної форми (крихкий, багато кам‘яних включень) то застосовують метод парафінування. Беруть певний об‘єм грунту зважують - маса грунту, парафінують його, а об‘єм знаходять за об‘ємом витісненої води. Коли грунт мерзлий і вирізати ножем зразок грунту правильної форми не можна, то його об‘єм знаходять за об‘ємом витісненої нейтральної рідини (гас, лігроїн) без парафінування.

Методика випробувань викладена в [14].

Щільність частинокгрунту (г/см³) -відношення маси твердих частинок грунту до об‘єму, який вони займають

(2.2)

Щільність частинок грунту у лабораторних умовах визначають пікнометричним методом. Масу частинок знаходять зважуванням, їх об‘єм - за об‘ємом витісненої води:

, де (2.3)

г/см³ – густина води при кімнатній температурі.

Підставивши (2.3) в (2.2) матимемо

(2.4)

Згідно з (2.4) необхідно знайти масу витісненої води. Дляцього попередньо висушений грунт масою не менше 15г ( ) подрібнюють, точно зважують у пікнометрі (скляна колба з вузькою шийкою і мірною рискою), доливають в останній воду приблизно на 1/3 об’єму і кип’ятять на піщаній бані для видалення повітря, яке адсорбоване на поверхні грунтових частинок. Після цього суміш охолоджують, доливають до мірної риски воду і проводять зважування ( ). Суміш виливають. Потім у пікнометр до мірної риски заливають дистильовану воду і зважують ( ).

Маса витісненої води буде

(2.5)

Підставивши (2.5) в (2.4) матимемо

(2.6)

Методика випробувань викладена в [14].

Вологістьгрунту (%, д.о.) - відношення маси води до маси твердих частинок

(2.7)

Вологість грунту визначається шляхом висушування зразків у сушильній шафі при температурі (105±2)⁰С. При цій температурі видаляється вся вода (порова, ліосорбована і адсорбована).

Методика випробувань викладена в [14].

До похідних фізичних показників відносяться: щільність скелета грунту , пористість грунту , коефіцієнт упаковки зерен грунту ,коефіцієнт пористості грунту і коефіцієнт водонасичення грунту .

Щільність скелета грунту (г/см³) - відношення маси висушеного грунту до його повного об’єму

(2.8)

Пористість грунту (%, д.о.) - відношення об’єму пор до об’єму грунту

(2.9)

Коефіцієнт упаковки зерен грунту (%, д.о.)- відношення об’єму твердих частинок до об’єму грунту

(2.10)

Коефіцієнт пористостігрунту(%, д.о.) - відношення об’єму пор до об’єму твердих частинок

(2.11)

Коефіцієнт водонасиченнягрунту (%, д.о.) - відношення природної вологості грунту до вологості, яка відповідає повному заповненню пор водою

(2.12)

Похідні фізичні показники грунтів (через основні фізичні показники) визначають за наступними формулами

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

(2.17)

При розрахунках основ, використовують такі показники: “питома вага грунту”, “питома вага частинок грунту” і “питома вага скелета грунту” замість відповідних фізичних показників “щільність грунту”, “щільність частинок грунту”, “щільність скелета грунту”. При цьому позначення змінюють на( м/с² м/с² - прискорення вільного падіння).

3. Оптимальна вологість. При будівництві земляних споруд (дамби, греблі) чи використанні основ із насипних грунтів необхідно виконувати роботи по їх ущільненню. Максимально ущільнюються грунти при деякій вологості, яка називається оптимальною.

Для визначення оптимальної вологості дисперсних (піщаних і глинистих) грунтів використовують лабораторний прилад для стандартного ущільнення (рис. 2.2).

Зразки грунтів з різною вологістю ущільнюють стандартним вантажем. Кожний зразрок ущільнюють при однаковій кількості ударів вантажем, який скидають з певної висоти. Потім визначають щільність скелета грунту і будують графік (рис. 2.3), за яким визначають максимальну щільність і відповідну їй оптимальну вологість . При цій вологості доцільно ущільнювати грунти.

Методика випробувань викладена в [8].

4. Зерновий склад грунтів.Зерновим(гранулометричним) складом грунтів називається ваговий вміст в грунті частинок різної крупності виражений у відсотках стосовно маси сухого грунту взятого для аналізу. Назва грунтових частинок в залежності від їх розмірів наведена в табл. 2.1.

Залежно від переважного вмісту часток тих чи інших розмірів грунти поділяються на:

великоуламкові- незв’язні мінеральні грунти, в яких маса частинок розміром більше 2мм складає понад 50%;

піщані - незв'язні мінеральні грунти, в яких маса частинок розміром більше 2мм складає 50% і менше (І_Р<1 - див. нижче);

глинисті - зв’язні мінеральні грунти(І_Р≥1 - див. нижче), що мають в своєму складі переважно пилуваті і глинисті частинки.

Частинки розміром до 0,1мм включно розділити на окремі фракції можна ситовим методом. Методика випробувань викладена в [3]. Для розділення на окремі фракції частинок менших 0,1мм найчастіше використовують метод відмулювання і піпетковий метод. Методика випробувань викладена в [3].

Загранскладом великоуламкові і піщані грунти поділяються згідно з табл. 2.2.