Средняя плотность грунтов в естественном залегании (Таблица 2)

№п/п	Наименование и краткаяхарактеристика грунтов	Средняя плотность в естественном залегании кг/м3
10	Грунты ледникового происхождения (моренные):
	а) пески, супеси и суглинки при коэффициенте пористости или показателе консистенции более 0,5 и содержании частиц крупнее 2 мм до 10 %	1600
	б) пески, супеси и суглинки при коэффициенте пористости или показателе консистенции до 0,5; глины при показателе консистенции более 0,5 и содержании частиц крупнее 2 мм до 10%	1800
	в) глины при показателе консистенции до 0,5 и содержании частиц крупнее 2 мм до 10%	1850
	Пески, супеси, суглинки и глины при коэффициенте пористости или показателе консистенции более 0,5 и содержании частицкрупнее 2 мм:
	г) до 35 %	1800
	д) до 65%	1900
	е) более 65%	1950
	Пески, супеси, суглинки и глины при коэффициенте пористости или показателе консистенции до 0,5 и содержании частиц крупнее 2 мм:
	ж) до 35 %	2000
	з) до 65%	2100
	и) более 65%	2300
	к) валунный грунт (содержание частиц крупнее 200 мм более 50%) при любых показателей пористости и консистенции	2500
11	Диабазы:
	а) сильно выветрившиеся, мало прочные	2600
	б) слабо выветрившиеся, прочные	2700
	в) незатронутые выветриванием, крепкие, очень прочные	2800
	г) незатронутые выветриванием, особо крепкие, очень прочные	2900
12	Доломиты:
	а) мягкие, пористые, выветрившиеся, средней прочности	2700
	б) плотный, прочный	2800
	в) крепкий, очень прочный	2900
13	Дресва в коренном залегании (элювий)	2000
14	Дресвяной грунт	1800
15	Змеевик (серпентин):
	а) выветрившийся мало прочный	2400
	б) средней крепости прочности	2500
	в) крепкий, прочный	2600
16	Известняки:
	а) мягкие, пористые, выветрившиеся, мало прочные	1200
	б) мергелистые слабые, средней прочности	2300
	в) мергелистые плотные, прочные	2700
	г) крепкие, доломитизированные, прочные	2900
	д) плотные окварцованные, очень прочные	3100
17	Кварциты:
	а) сланцевые, сильно выветрившиеся, средней прочности	2500
	б) сланцевые, средне выветрившиеся, прочные	2600
	в) слабо выветрившиеся, очень прочные	2700
	г) не выветрившиеся, очень прочные	2800
	д) не выветрившиеся, мелкозернистые, очень прочные	3000
18	Конгломераты и брекчии:
	а) слабосцементированные, а также из осадочных пород на глинистом цементе, мало прочные	1900-2100
	б) из осадочных пород на известковом цементе, средней прочности	2300
	в) из осадочных пород на кремнистом цементе, прочные	2600
	г) с галькой из изверженных пород на известковом и кремнистом цементе, очень прочные	2900

1.5. Прочность грунтов

Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разрушение грунта [4]. Соотношение между предельными касательными τ и нормальными к площадкам сдвига σ напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора

Цытович И.А. Механика грунтов

τ = σ tgφ + c,

(1.5)

где φ — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.

Характеристики прочности φ и с определяют в лабораторных и полевых условиях. Для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать значения φ и с по табл. 1.17 и 1.18.

ТАБЛИЦА 1.17. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИИ c, кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ, град, ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

Песок	Характеристика	Значения с и φ при коэффициенте пористости e
		0,45	0,55	0,65	0,75
Гравелистый и крупный	с φ	2 43	1 40	0 38	– –
Средней крупности	с φ	3 40	2 38	1 35	– –
Мелкий	с φ	6 38	4 36	2 32	0 28
Пылеватый	с φ	8 36	6 34	4 30	2 26

Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварцевым пескам (см. табл. 1.12).

ТАБЛИЦА 1.18. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИЯ c, кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ, град, ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Грунт	Показатель текучести	Характеристика	Значения с и φ при коэффициенте пористости е
			0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
Супесь	0 < IL ≤ 0,25	с φ	21 30	17 29	15 27	13 24	– –	– –	– –
	0,25 < IL ≤ 0,75	с φ	19 28	15 26	13 24	11 21	9 18	– –	– –
Суглинок	0 < IL ≤ 0,25	с φ	47 26	37 25	31 24	25 23	22 22	19 20	– –
	0,25 < IL ≤ 0,5	с φ	39 24	34 23	28 22	23 21	18 19	15 17	– –
	0,5 < IL ≤ 0,75	с φ	– –	– –	25 19	20 18	16 16	14 14	12 12
Глина	0 < IL ≤ 0,25	с φ	– –	81 21	68 20	54 19	47 18	41 16	36 14
	0,25 < IL ≤ 0,5	с φ	– –	– –	57 18	50 17	43 16	37 14	32 11
	0,5 < IL ≤ 0,75	с φ	– –	– –	45 15	41 14	36 12	33 10	29 7

Примечание. Значения с и φ не распространяются на лёссовые грунты.

1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях

В практике исследований грунтов применяют метод среза грунта по фиксированной плоскости в приборах одноплоскостного среза. Для получения φ и с необходимо провести срез не менее трех образцов грунта при различных значениях вертикальной нагрузки. По полученным в опытах значениям сопротивления срезу τ строят график линейной зависимости τ = 

f(σ) и находят угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Зависимость сопротивления срезу грунта τ от нормального напряжения σ

Различают две основные схемы опыта: медленный срез предварительно уплотненного до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание).

Значения φ и с, полученные по методике медленного консолидированного среза, используются для определения расчетного сопротивления грунта, а также для оценки несущей способности основания, находящегося в стабилизированном состоянии (все напряжения от внешней нагрузки восприняты скелетом грунта). Значения φ и с, полученные по методике быстрого неконсолидированного среза, используются для определения несущей способности медленно уплотняющихся водонасыщенных суглинков и глин, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов. В таких грунтах возможно возникновение нестабилизированного состояния (наличие избыточного давления в поровой воде) вследствие их медленной консолидации или быстрой передачи нагрузки от сооружения (силосы, резервуары, склады сырья и т.п.).

Метод определения характеристик прочности φ и с в условиях трехосного сжатия в большей степени соответствует напряженному состоянию грунта в основании сооружения. Испытание проводится на приборе, в котором образец грунта подвергается всестороннему гидростатическому давлению и добавочному вертикальному (осевому). Для определения прочностных характеристик грунтов проводят серию испытаний при различных соотношениях давлений, доводя образец до разрушения, в результате каждого опыта получают значения наибольшего σ₁ и наименьшего σ₃ главных нормальных напряжений в момент разрушения. Графически зависимость между главными касательными и нормальными напряжениями представляют с помощью кругов Мора, каждый из которых строится на разности напряжений σ

1 и σ₃(рис. 1.6).

Рис. 1.6. Круги Мора по результатам испытания грунта в приборе трехосного сжатия

Общая касательная к этим кругам удовлетворяет условию прочности (1.5) и позволяет определить характеристики φ и с.

В приборах трехосного сжатия проводят следующие испытания:

• – недренированное — дренирование воды из образца грунта отсутствует в течение всего опыта;
• – консолидировано-недренированное — дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления и образец полностью уплотняется, в процессе приложения осевых нагрузок дренирование отсутствует;
• – дренированное — дренирование обеспечивается в течение всего испытания.

Недренированные испытания водонасыщенных грунтов проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через общие (тотальные) напряжения. Дренированные испытания проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через эффективные напряжения. При этом в процессе опыта должно быть достигнуто полностью консолидированное состояние грунта. Прочностные характеристики грунтов, выражаемые через эффективные напряжения, могут быть определены также для образцов грунта, испытанных в неполностью консолидированном состоянии, при условии измерения в процессе опыта давления в поровой воде.

Количественной характеристикой прочности скальных грунтов является предел прочности на одноосное сжатие R_c, определяемый раздавливанием образца грунта и вычисляемый по формуле

R_с = P/F,

(1.6)

где Р — нагрузка в момент разрушения образца грунта; F — площадь поперечного сечения образца грунта.

1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

Полевое испытание на срез в заданной плоскости целика грунта, заключенного в кольцевую обойму, аналогично лабораторному испытанию на срез в одноплоскостных срезных приборах. Испытания проводятся в шурфах, котлованах, штреках и т.д. Для получения характеристик φ и с определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения φ и с находят на основе построения зависимости (1.5), как это показано на рис. 1.5.

Полевое определение характеристик φ и с в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 1.7. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза — с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины и создастся нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза — выдергивающей силы. Для получения φ и с необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость τ = f (σ) (см. рис. 1.5).

Рис. 1.7. Схемы испытаний грунта в скважинах на срез

а — кольцевой; б — поступательный; в — вращательный крыльчаткой: 1 — лопасти; 2 — распорные штампы; 3 — скважины; 4 — штанги; 5 — устройства для создания и измерения усилия

Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 1.7), позволяет определить сопротивление срезу τ, поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, сапропелях, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять с = τ. Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.

Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения φ и с вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.

Угол внутреннего трения песчаных грунтов может быть определен с помощью статического и динамического зондирования. По данным статического зондирования угол φ имеет следующие значения:

qc, МПа	1	2	4	7	12	20	30
φ, град	26	28	30	32	34	36	38

Значения φ по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.19. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов на срез. Для сооружений III класса допускается определять φ только по результатам зондирования.

ТАБЛИЦА 1.19. ЗНАЧЕНИЯ УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Песок	Значения φ, град, МПа при qd, МПа
	2	3,5	7	11	14	17,5
Крупный и средней крупности	30	33	33	38	40	41
Мелкий	28	30	33	35	37	38
Пылеватый	28	28	30	32	34	35

Классификация грунтов – Таблицы по ГОСТ, свойства

Перед строительством фундамента (неважно, что вы планируете построить: одно-, двух- или трехэтажный частный дом), обязательно нужно определить типы грунта, его характеристики, а также произвести расчеты на возможные нагрузки, которое сможет выдержать основание. Лучше, если вы закажете инженерно-геологические услуги, но, если не позволяют условия или финансовая возможность, то хотя бы изучите грунт самостоятельно и проведите минимальные расчеты.

В этой статье мы разберем, что такое грунт, какие его разновидности определяют строительные нормы, и какие типы грунта подпадают под разряд «не повезло».

 

Состав и строение грунта

Прежде чем разбирать разновидности грунтов нужно понимать, что такое грунт, основной его состав, чтобы лучше в дальнейшем понять его структуру и свойства. В разъяснении нам поможет замечательное пособие С. А. Пьянкова «Механика грунтов», а также ГОСТ.

 

Разновидности грунта согласно ГОСТ 25100-2011

Все грунты можно классифицировать по гранулометрическому составу на:

1. Скальные
2. Дисперсные
3. Мерзлые, мы их не будем рассматривать в рамках этой статьи.

Упростим сложную и подробную классификацию, приведенную выше:

1. Самые прочные и способные нести высокую нагрузку – скальные (известняки — но не все, и только не при высоком уровне вод, а также гранит, сланцы), они не часто встречаются, более распространены дисперсные. Скальные грунты не вспучиваются, не проседают.
2. Дисперсные грунты. Нас интересуют следующие типы грунтов: крупнообломочные (например, валуны, дресва, галька), глина, суглинки, супесь, песок, ил, песок, торф, пылеватый песок, лёссовые грунты.

По классификации гранулометрического состава, приведенной ниже в таблице несложно определить размерность частиц.

Если вы по какой-то причине не можете отнести в лабораторию пробы грунта (например, нет в вашем городе лаборатории), то без лаборатории, так сказать «в полевых условиях», грунт можно диагностировать по описанию в следующей таблице:

Еще один популярный способ определения в полевых условиях типа грунта — во влажном состоянии, будем «катать колбаски». Разумеется, щебень или торф вы и так определите визуально, такой способ подходит для глиносодержащих видов грунта. Смачиваете образец грунта водой и пытаетесь скатать жгутик ладонями. По признакам определяете тип.

Для того, чтобы у вас было представление о том, как выглядят суглинок, супесь, глинистая почва, песчаная почва приведем следующее изображение:

Есть некоторые способы, по которым можно определить типы грунта, гранулометрический их состав, а также некоторые их характеристики, вроде плотности, влажности, но для этого вам придется проводить опыты (которые, к слову, мы бы не советовали вам проводить самостоятельно, проще обратиться в лабораторию, и заниматься тем, что у вас отлично получается, предоставив лабораторные опыты специалистам, которые смогут замерить физ.свойства грунтов, их состав наиболее точно, без больших погрешностей).

 

Проблемные, сложные грунты

Если вы несчастливый обладатель подобных грунтов на участке, будьте внимательны и бдительны, много раз подумайте, прежде чем строить, а лучше проконсультируйтесь со специалистом и обязательно сделайте анализ грунта на участке, если еще не сделали.

Далее рассмотрим, как выглядят определенные разновидности грунта, и разберем их основные характеристики. Не будем рассказывать о валунах, гальке, щебне, вы сможете отличить такой тип грунта, видели неоднократно.

Расскажем о других типах, которые зачастую бывают проблемными, теряя свою прочность под внешним воздействием, например, напитываясь водой, или соединяясь с другими грунтами и их примесями.

Такие грунты — структурно-неустойчивые грунты, то есть изменяющие свою структуру под внешними влияниями, просадочные грунты.

• Мерзлые и вечномерзлые
• Карстующиеся грунты
• Лессовые грунты
• Органоминеральные и органические грунты
• Набухающие
• Слабые водонасыщенные глинистые
• Насыпные
• Засоленные

 

Мерзлые и вечномерзлые

Мерзлые грунты имеют температуру ниже нуля, в том или ином виде содержат в составе частицы льда. После нахождения в мерзлом состоянии от 3 лет и больше такие грунты уже приобретают свойства вечномерзлых грунтов.

 

В замерзшем состоянии мерзлые и вечномерзлые грунты очень прочные, не подвержены деформациям, так как связующие их криогенные структуры повышают первоначальную прочность.

В процессе таяния полностью меняется структура и физико-механические свойства, происходят серьезные деформации. Некоторые грунты даже становятся жидкими после оттаивания.

Основная особенность всего класса мерзлых грунтов — просадочность при таянии, когда происходит масштабное уменьшение объема грунта. Вечномерзлые грунты — достаточно проблемный тип грунта для проектирования и строительства.

Какой фундамент выбрать? Это можно определить только после определения всех необходимых расчетных деформационо-прочностных характеристик в процессе лабораторных испытаний.

• Первый вариант — сохранить структуру криогенных связей — мерзлое состояние как во время строительства, так и при дальнейшей эксплуатации. Сохранение вечной мерзлоты грунта сохраняется путем организации холодных первых этажей, проветриваемых холодных подполий с вентилируемыми продухами. В этом случае определяем мин.глубину заложения фундамента по СНиП 2.02.04-88:

• Второй вариант — подготовка сооружения к неравномерной осадке. Можно заменить неустойчивый грунт на непосадочный песок или крупнообломочный грунт. Можно также опирать фундамент на более прочный слой, тогда можно использовать вечномерзлые грунты в оттаявшем состоянии или состоянии таяния. Это возможно лишь при условии наличия в массиве грунта прочных малодеформирующихся в процессе оттаивания грунтов.

Заглубление фундамента в этом случае осуществляется на основании расчетной глубины сезонного промерзания грунта d_f и уровню подземных вод, которые образуются в процессе оттаивания.

Необходимо застраивать площади на вечномерзлой земле только по одному из вариантов, а не так, что сосед выбирает холодный первый этаж, а вы — сваи.

Стоить отметить, что широко используемые в северном строительстве сваи тоже подвержены негативному воздействию: напорному давлению вод при промерзании грунта; хим. агрессивности воды оттаявшего слоя; появлению трещин из-за температурных деформаций.

 

Известняки

Известняки, как и другие грунты из группы скальных осадочных карбонатных пород, в сухом виде — прочные, а при намокании грунтовыми водами ее теряют.

Есть известняки изначально с низкой плотностью и широкой «пористостью» — ракушечники, есть и другая намного более плотная разновидность с низкой пористостью. Прочность у первых в сотни раз ниже, чем у вторых.

Одна из разновидностей известнякового грунта – мергель, который представляет собой микс из известняка и глины.

Основание из известняка (кстати, это же касается и доломита, мела) — довольно опасно для сооружения фундамента, хотя казалось бы скальный грунт. Там, где пласт известняка легко доступен воде, может со временем сформироваться большущая воронка, так как известняки подвержены размытию. Известняки относятся к карстующимся породам (также как гипс, доломит) — горные породы, способные растворяться при размывании поверхностными и подземными водами. В итоге может произойти карстовый провал:

В случае залегания пласта известняка на участке необходимо определить его пористость и продумать отвод поверхностных вод. В таком неблагоприятном случае многие прибегают к использованию свайного фундамента. Советуем не импровизировать, лучшим вариантом для вас будет консультация с хорошим специалистом геологом, инженерные изыскания в данном случае обязательны.

 

Лёссовые грунты, лёссы, лессовые суглинки

Нельзя сказать с точностью, каким образом появились такие грунты, ученые до сих пор об этом спорят. Лёссовые породы относятся к структурно-неустойчивым грунтам (но не все из них просадочные).

Такой тип очень распространен на протяжении больших территорий в России, Украине, Европе, причем лёссом занято более 80 % территории Украины. Залегание такого типа грунта обычно располагается сразу под почвенным покровом, в верхних слоях.

Лессовые грунты обычно светло-желтого или светло-коричневого цвета (его еще называют палевый цвет), или же даже буро-желтого.

Лессовые грунты содержат больше воздуха, чем твердых частиц, содержат множество макропор, пористость до 60%. Больше 60 процентов частиц – мелкие пылеватые, также содержится глина и в меньшей степени песок.

На изображениях ниже можно рассмотреть характерное для лёссовых пород наличие вертикальных «бороздок», прожилок или канальцев. Такие макропоры в виде трубочек доходят в диаметре до 3 мм.

Различают типичные лёссы и лессовые суглинки. Лёссовые суглинки содержат больше глины, чем типичные лёссы, им присущ более темный цвет, иногда красновато-бурый. Лёссовые суглинки менее пористые и, следовательно, более плотные, менее просадочные.

В обычном состоянии лессовые отложения весьма прочные, способны выдерживать большие нагрузки, но при увлажнении прочность теряется, возникают дополнительные просадочные деформации от нагрузки – как внешней, так и от собственного веса.

Чтобы определить степень просадки лёсса, его в лабораторных условиях уплотняют под давлением, а затем подвергают замачиванию.

 

Органоминеральные и органические грунты — торфы, заторфованные, сапропели

Торфяники распространены в Подмосковье, на востоке и северо-востоке. Они относятся к слабым грунтам, с присущей низкой прочностью.

Заторфованный грунт отличается от торфа процентным соотношением содержанием органического вещества – содержание больше 50% органики говорит о торфе, а содержание от 10 до 50% орган.остатков говорит о том, что перед нами заторфованный грунт, на основе песчаного грунта или глинистого.

Какие характеристики присущи торфам и заторфованным грунтам?

• Высокая водонасыщенность
• Сильная сжимаемость
• Осадочность, медленно протекающая
• Изменяемость характеристик под нагрузками
• Подземные воды представляют собой весьма агрессивную среду по отношению к строительным конструкциям.

Помимо градации по количественному содержанию торфа органоминеральные и органические грунты делятся на:

• Открытые, находящиеся близ поверхности;
• Погребенные, располагающиеся в виде слоев или линз в глубине толщи;
• Искусственно погребенные

Также важно значение степени разложения торфяных грунтов – степень разложения слагаемых его растительных остатков – гумуса.

Очень важно оценить и характер залегания торфосодержащих пород:

Напластование, имеющее в составе торф и заторфованные грунты — одно из наихудших оснований, так как приводит к дальнейшим деформациям и просадкам.

Сапропель – илосодержащая и одновременно торфосодержащая порода, с процентным содержанием органических веществ больше 10%. Коэффициент пористости сапропеля — в районе е> 3, характерна текучепластичная или текучая консистенция.

Нельзя возводить фундамент с непосредственным опиранием его на сильнозаторфованные грунты, торфы, сапропели и ил.

Мероприятия по укреплению неустойчивых органических и органикоминеральных грунтов описаны в СП 22.13330.2011 разделе 6.4 «Органоминеральные и органические грунты».

В числе мероприятий замена нейстойчивого грунта средне- или крупнозернистым песком, гравием (что может быть очень дорого, например, в виду высокой мощности слоя торфа), а также можно прибегнуть к строительству свайного фундамента с опиранием свай на слой грунта с высокими прочностными характеристиками.

Нельзя забывать, что в органических грунтах очень агрессивная среда для бетона и металла, поэтому нежелательно использовать стальные сваи, нужно позаботиться об изоляции свай для продлевания срока использования строения.

 

Набухающие

К таким грунтам можно отнести некоторые разновидности глиносодержащих грунтов. Набухающие грунты имеют свойство увеличиваться в объемах при контакте с водой, им также свойственна усадка при высыхании. Показатель влажности на пределе текучести, а также число пластичности у таких грунтов весьма высокие, природная влажность < влажности на границе раскатывания. Пески и супеси не подвержены набуханию практически, зато суглинки и глины подвержены этому свойству пропорционально содержанию в них частиц глины.

Опасность таких грунтов заключается в том, что любое изменение уровня грунтовых вод спровоцирует набухание, и последующую просадку грунта в связи с уменьшением объема грунта после подсыхания.

Степень возможного набухания определяется в процессе лабораторных компрессионных испытаний.

Подробнее про набухающие грунты, про расчетные характеристики, про деформации основания в следствии усадки и набухания — прочитайте в разделе 6.2 «Набухающие грунты» в СП 22.13330.2011. Там же приведена формула по расчету подъема основания в результате набухания.

Какие меры принимают для предотвращения усадок грунта под фундаментом?

• хороший дренаж и водоотведение;
• предварительное замачивание;
• устройство песчаных подушек;
• замена набухающего грунта полностью или частично;
• прорезка набухающего грунта, опирание фундамента на более надежный слой грунта (если слой набухающего грунта не больше 12 м).

 

Слабые водонасыщенные глинистые

Эта группа представлена илом, сапропелем, а также глинистыми грунтами в текучем или текучепластичном состоянии . Характерными свойствами такого типа сложных грунтов являются:

• большая водонасыщенность: влажность от 0,8, больше 80% заполненных водой пор;
• значение угла внутреннего трения 3°-14°, сцепления 0-0,02 МПа
• частая большая мощность водонасыщенного слоя — до 20 м;
• высокая сжимаемость грунта и малая прочность;
• расчетные осадки сооружений разнятся иногда значительно с реальными, фактическими посадками.
• неравномерная и очень большая осадка фундамента, построенного на водонасыщенном грунте.

Сапропель мы описывали и показывали чуть выше, приведем только его физические свойства:

Ил – органоминеральный грунт, с содержанием >3 % органики и >30% мелких частиц менее 0,01мм, с текучей консистенцией IL> 1, коэффициентом пористости е ≥ 0,9.

Какие варианты фундаментов используют в строительстве?

• свайные фундаменты из железобетонных свай,
• песчаные подушки,
• дрены (песчаные сваи),
• известковые сваи,
• дренажные прорези

Стоит отметить, что имеет место быть процесс кольматации песка (естественное попадание мелких частиц, особенно глинистых и пылеватых в поры и трещины оснований) при устройстве песчаных подушек, свай, что со временем снижает устойчивость и прочность фундаментов.

 

Насыпные

Насыпные грунты относятся к так называемым техногенным грунтам, их особенностью является то, что они имеют нарушенную структуру.

К их основным характеристикам относятся:

• неравномерная сжимаемость, и как следствие дальнейшие деформации, особенно в связи с вибрационными нагрузками, замачиванием;
• постепенное самоуплотнение

Насыпные грунты могут самоуплотняться, продолжительность этого процесса различна, в зависимости от разновидности насыпи. Примерный срок самоуплотнения приведен в СП:

Примерные значения физико-механических свойств насыпных грунтов (НИИОСП)

	удельный вес, кН/м3	уд. вес частиц грунта, кН/м3	модуль деформации, Мпа	угол внутренннего трения	сцепление, кПа
слежавщиеся возрастом более 100 лет	16,5	26,5	от 8 до 12	18-20	4-8
планомерно возведенные насыпи из песчаных грунтов	16,5	26,5	от 10 до 15	22	1
непланомерно возведенные, неслежавщиеся насыпи	16	26,5	от 6 до 8	17-18	0-2

 

Уровень прочности насыпных грунтов повышается с помощью их уплотнения различными способами:

• трамбовкой, укаткой, гидровиброуплотнение
• устройство грунтовых подушек
• прорезка свайным фундаментом
• химическим способом, например, силикатизацией

Засоленные

Засоленные грунты в России распространены примерно на 10 процентах всей территории, преимущественно в Крыму, на Кавказе, а также Западно-Сибирской низменности.

 

Цитата из СП 22.13330.2011: «Степень засоленности грунта Dsal, % — отношение массы водорастворимых со лей в грунте к массе абсолютно сухого грунта.»

Засоленные грунты при фильтрации воды подвергаются выщелачиванию. Вода растворяет соли, способствуя увеличению пористости. Основания грунтов в конечном итоге подвержены суффозионной осадке. При увлажнении засоленных грунтов изменяются их физико-механические свойства: плотность, прочность, деформируемость и водопроницаемость. К тому же еще одна опасность засоленных грунтов — агрессивность воды с растворенными в ней солями к стройматериалам, бетону.

Засоленные грунты в замоченном состоянии могут быть набухающими или просадочными. Все расчеты по засоленным грунтам доверьте специалистам.

Каким бы сложным грунт ни был на вашем участке, современные технологии строительства могут обеспечить вам прочную постройку на любом основании. Но только при условии полноценного инженерно-геологического обследования, проведения всех необходимых расчетов на основании этого исследования. Обладая знанием о всех возможных нагрузках на основание и будущее сооружение, можно сделать экономически целесообразный выбор подходящего по всем параметрам фундамента, который не даст трещины и деформации.

Если вы уже знаете, какой грунт у вас на участке, мы предлагаем вам воспользоваться калькулятором фундамента для расчета количества материалов и допустимых параметров конструкции.

В.В. Охотин

Вениамин Васильевич Охотин

Выдающийся русский ученый, один из основоположников отечественного и мирового грунтоведения. После окончания Нижегородской духовной семинарии (1910) блестяще окончил Варшавский университет и защитил магистерскую диссертацию: «Твердость и пластичность черноземов в связи с их химическим составом» на ученую степень кандидата естествознания (1914). Был рекомендован продолжить образование во Фрайбергской горной академии, но учебе помешала Первая мировая война. В.В.Охотин активный участник Перовой мировой войны и гражданской войны, где в сначала в должности штабс-капитана воевал начальником штаба 1 Воздухоплавательной армии на Северном фронте, затем начальником мастерских в воздухоплавательной части Красной Армии, оборонявшей Петроград. После демобилизации в 1921 г поступил на должность ассистента кафедры почвоведения Петроградского сельскохозяйственного института, работая под руководством проф. Н.И.Прохорова и академика К.Д.Глинки. Здесь в почвенной лаборатории в 1922 году впервые в России начал систематическое изучение физико-механических грунтов в дорожных целях, которые продолжил в 1923-1930 гг. в Дорбюро ГУМЕС. В 1929/1930 году совместно с П.А.Земятченским организует на геологическом факультете Ленинградского государственного университета первую в мире кафедру грунтоведения. С 1933 и до своей смерти в 1954 ее бессменный заведующий. Перу В.В. Охотина принадлежит 47 работ, многие из которых послужили началом новых направлений в грунтоведении и вошли в «золотой фонд» отечественной и мировой науки.
Основные труды: «Методы и указания по исследованию грунтов для дорожного дела» (1928), «Классификация частиц грунтов» (1932), «Дорожное почвоведение и механика грунтов» (1934), «Физические и механические свойства грунтов в зависимости от их минералогического состава и степени дисперсности» (1937). Им написан учебник «Грунтоведение» (1940) первое систематическое описание физико-механических свойств грунтов. Вениамин Васильевич успешно работал в области разработки методики полевых почвенно-грунтовых исследований в дорожных целях, в области создания и усовершенствования методики определения гранулометрического состава и физико-механических свойств грунтов. Им разработаны гранулометрические классификации грунтов и грунтовых частиц, а также дорожная классификация грунтов, изучено влияние отдельных факторов (степени дисперсности, минералогического состава, состава поглощенных оснований) на свойства грунтов. Важнейшее значение имели его пионерские работы в области технической мелиорации грунтов.
Вклад Вениамина Васильевича Охотина в грунтоведение огромен и бесспорен.
Память о нем всегда будет жить в его работах.

В Помощь Молодому Офицеру — Прочность грунтов

Несущая способность (прочность грунта) зависит от его структуры, степени уплотнения и влажности. Наибольшую прочность, в сотни раз превышающую удельное давление современных машин, имеют скальные грунты.

Например, предел прочности гранитов при сжатии составляет 1000—-2500 кг/см², песчаников—500—800 кг/см², сланцев — 50—150 кг/см² и т. д. Но эти грунты на поверхности встречаются сравнительно редко. Преобладающая часть поверхности Земли покрыта рыхлыми грунтами, несущая способность которых намного меньше, чем скальных, и зависит в основном от величины слагающих их частиц, а также от степени уплотнения и влажности грунта.

Примерные показатели несущей способности (прочности) наиболее распространенных грунтов в зависимости от их влажности и степени уплотнения приведены в таблице Прочность рыхлых грунтов

Наименование грунта	Степень увлажнения грунта	Прочность грунта кг/см2
		Плотного	Средней плотности
Щебенистый (галечниковый)	Независимо от влажности	8,0	6,0
Гравийный	то же	5,0	4,0
Крупный песок	то же	4,5	3,5
Песок средней крупности	то же	3,5	2,5
Мелкий песок	сухой	3,0	2,0
Мелкий песок	мокрый	2,5	1,5
Пылеватый песок	сухой	2,5	2,0
Пылеватый песок	мокрый	1,5	1,0
Супесчаный	сухой	3,0	2,5
Супесчаный	мокрый	2,5	2,0
Суглинистый	Сухой	3,0	2,0
Суглинистый	мокрый	1,0	0,6
Глинистый	сухой	5,0	2,5
Глинистый	мокрый	1,0	0,5
Торфяной	сухой	1,0	0,7
Торфяной	мокрый	1,0	0,7
Слежавшийся снежный покров при отрицательных температурах	—	0,6	0,2

Промерзший слой грунта оказывает существенное влияние на проходимость и инженерное оборудование местности. Понятие «мерзлый грунт» применимо не ко всем, а только к рыхлым влажным грунтам, которые при замерзании превращаются в льдобетон с плотностью около единицы и прочностью, большей в 3—5 раз прочности льда.

Промерзшие песчаные грунты при температуре —10° С имеют сопротивление сжатию 120— 150 кг/см², т. е. в 4—5 раз больше прочности льда.

Повышение механической прочности грунтов в результате их промерзания сводит на нет различие в проходимости сухих и влажных (заболоченных) участков местности, которое наблюдается в летний период. Промерзшие на 8—10 см и более влажные пески, суглинки и глины зимой становятся вполне проходимыми для любого вида транспорта и боевой техники. Поэтому зимние дороги и колонные пути нередко прокладывают по долинам рек и даже по болотам — этим труднопроходимым участкам местности летом.

Промерзание грунта затрудняет разрушение оборонительных сооружений огнем артиллерии. Такой грунт ослабляет воздействие ударной волны ядерного взрыва на дерево-земляные укрепления и укрытия, снижает уровни радиации, проникающей в легкие земляные укрытия.

В то же время замерзание грунтов значительно усложняет инженерное оборудование местности. Замерзшие грунты приобретают твердость, близкую к твердости скальных пород. Разработка мерзлых грунтов выполняется в 4—5 раз медленнее, чем разработка их в незамерзшем виде. При этом трудоемкость земляных работ зимой зависит от глубины промерзания грунта.

При замерзании грунта на глубину 0,5 м трудоемкость земляных работ увеличивается в 2,5 раза, а при глубине замерзания 1,25 м и более — в 3-—5 раз по сравнению с разработкой талого грунта.

Разработка мерзлых грунтов требует применения особых инструментов и машин, а также выполнения буро-взрывных работ. Глубина сезонного промерзания грунтов зависит от продолжительности устойчивых морозов и «количества холода», проникшего в толщу грунта с начала морозного периода.

В основе простейших расчетов глубины промерзания грунтов лежит сумма среднесуточных или среднемесячных температур воздуха с начала зимы. Так, например, в строительстве глубина промерзания грунтов определяется по следующей формуле:

d_fn= d₀√M_t ,

где d_fn — нормативная глубина промерзания,м;       

d₀ — величина, учитывающая тип грунта и равная

для глин и суглинков — 0,23 м;

для супесей и мелких и пылеватых песков — 0,28 м;

для песков средней крупности, крупных и гравелистых — 0,30 м;

для крупнообломочных грунтов — 0,34 м;       

M_t — безразмерный коэффициент, который определяется как сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зимний период в конкретном регионе.

Глубина промерзания грунтов зависит от их механического состава, глубины залегания грунтовых вод, увлажненности и толщины снежного покрова.

Наблюдениями установлено, что чем мельче частицы грунта, тем больше его пористость и влагоемкость и тем меньше глубина и скорость промерзания. Например, пески промерзают в 2—3 раза быстрее и глубже, чем суглинки.

Глубина промерзания глинистых почв на 25% больше, чем чернозема и торфяников. На дренированных возвышенностях грунты замерзают всегда раньше и глубже, чем в низинах и на заболоченных землях. Промерзание грунтов никогда не доходит до уровня подземных вод и прекращается немного выше этой поверхности.

На открытых участках местности с хорошо развитым травяным покровом глубина промерзания грунтов примерно на 50% меньше, чем на оголенных (вспаханных) участках.

В лесу грунты промерзают примерно в 2 раза меньше, чем в открытом поле. Глубина промерзания грунта под снежным покровом всегда меньше, чем на оголенной поверхности.

В районах с достаточно высоким снежным покровом глубина промерзания в 1,5—2 раза меньше, чем на участках, свободных от снега.

ЯРУГА.РФ — Общественный сайт Краснояружского района

Коэффициент сцепления грунта таблица. М.11. Прочность грунтов и методы ее определения

Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разрушение грунта . Соотношение между предельными касательными τ и нормальными к площадкам сдвига σ напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора

Цытович И.А. Механика грунтов

τ = σ tgφ + c ,

где φ — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.

Характеристики прочности φ и с определяют в лабораторных и полевых условиях. Для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать значения φ и с по табл. 1.17 и 1.18.

ТАБЛИЦА 1.17. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИИ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

Песок	Характеристика	Значения с e
		0,45	0,55	0,65	0,75
Гравелистый и крупный	с φ	2 43	1 40	0 38	— —
Средней крупности	с φ	3 40	2 38	1 35	— —
Мелкий	с φ	6 38	4 36	2 32	0 28
Пылеватый	с φ	8 36	6 34	4 30	2 26

Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварцевым пескам (см. табл. 1.12).

ТАБЛИЦА 1.18. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИЯ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Грунт	Показатель текучести	Характеристика	Значения с и φ при коэффициенте пористости е
			0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
Супесь	0 I L ≤ 0,25	с φ	21 30	17 29	15 27	13 24	— —	— —	— —
	0,25 I L ≤ 0,75	с φ	19 28	15 26	13 24	11 21	9 18	— —	— —
Суглинок	0 I L ≤ 0,25	с φ	47 26	37 25	31 24	25 23	22 22	19 20	— —
	0,25 I L ≤ 0,5	с φ	39 24	34 23	28 22	23 21	18 19	15 17	— —
	0,5 I L ≤ 0,75	с φ	— —	— —	25 19	20 18	16 16	14 14	12 12
Глина	0 I L ≤ 0,25	с φ	— —	81 21	68 20	54 19	47 18	41 16	36 14
	0,25 I L ≤ 0,5	с φ	— —	— —	57 18	50 17	43 16	37 14	32 11
	0,5 I L ≤ 0,75	с φ	— —	— —	45 15	41 14	36 12	33 10	29 7

Примечание. Значения с и φ не распространяются на лёссовые грунты.

1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях

В практике исследований грунтов применяют метод среза грунта по фиксированной плоскости в приборах одноплоскостного среза. Для получения φ и с необходимо провести срез не менее трех образцов грунта при различных значениях вертикальной нагрузки. По полученным в опытах значениям сопротивления срезу τ строят график линейной зависимости τ = f (σ) и находят угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Зависимость сопротивления срезу грунта τ от нормального напряжения σ

Различают две основные схемы опыта: медленный срез предварительно уплотненного до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание).

Значения φ и с , полученные по методике медленного консолидированного среза, используются для определения расчетного сопротивления грунта, а также для оценки несущей способности основания, находящегося в стабилизированном состоянии (все напряжения от внешней нагрузки восприняты скелетом грунта). Значения φ и с , полученные по методике быстрого неконсолидированного среза, используются для определения несущей способности медленно уплотняющихся водонасыщенных суглинков и глин, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов. В таких грунтах возможно возникновение нестабилизированного состояния (наличие избыточного давления в поровой воде) вследствие их медленной консолидации или быстрой передачи нагрузки от сооружения (силосы, резервуары, склады сырья и т.п.).

Метод определения характеристик прочности φ и с в условиях трехосного сжатия в большей степени соответствует напряженному состоянию грунта в основании сооружения. Испытание проводится на приборе, в котором образец грунта подвергается всестороннему гидростатическому давлению и добавочному вертикальному (осевому). Для определения прочностных характеристик грунтов проводят серию испытаний при различных соотношениях давлений, доводя образец до разрушения, в результате каждого опыта получают значения наибольшего σ 1 и наименьшего σ 3 главных нормальных напряжений в момент разрушения. Графически зависимость между главными касательными и нормальными напряжениями представляют с помощью кругов Мора, каждый из которых строится на разности напряжений σ 1 и σ 3 (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

Общая касательная к этим кругам удовлетворяет условию прочности (1.5) и позволяет определить характеристики φ и с .

В приборах трехосного сжатия проводят следующие испытания:

• — недренированное — дренирование воды из образца грунта отсутствует в течение всего опыта;
• — консолидировано-недренированное — дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления и образец полностью уплотняется, в процессе приложения осевых нагрузок дренирование отсутствует;
• — дренированное — дренирование обеспечивается в течение всего испытания.

Недренированные испытания водонасыщенных грунтов проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через общие (тотальные) напряжения. Дренированные испытания проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через эффективные напряжения. При этом в процессе опыта должно быть достигнуто полностью консолидированное состояние грунта. Прочностные характеристики грунтов, выражаемые через эффективные напряжения, могут быть определены также для образцов грунта, испытанных в неполностью консолидированном состоянии, при условии измерения в процессе опыта давления в поровой воде.

Количественной характеристикой прочности скальных грунтов является предел прочности на одноосное сжатие R c , определяемый раздавливанием образца грунта и вычисляемый по формуле

R с = P /F ,

где Р — нагрузка в момент разрушения образца грунта; F — площадь поперечного сечения образца грунта.

1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

Полевое испытание на срез в заданной плоскости целика грунта, заключенного в кольцевую обойму, аналогично лабораторному испытанию на срез в одноплоскостных срезных приборах. Испытания проводятся в шурфах, котлованах, штреках и т.д. Для получения характеристик φ и с определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения φ и с находят на основе построения зависимости (1.5), как это показано на рис. 1.5.

Полевое определение характеристик φ и с в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 1.7. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза — с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины и создастся нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза — выдергивающей силы. Для получения φ и с необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость τ = f (σ) (см. рис. 1.5).

Рис. 1.7.

а — кольцевой; б — поступательный; в — вращательный крыльчаткой: 1 — лопасти; 2 — распорные штампы; 3 — скважины; 4 — штанги; 5 — устройства для создания и измерения усилия

Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 1.7), позволяет определить сопротивление срезу τ , поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, сапропелях, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять с = τ . Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.

Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения φ и с вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.

Угол внутреннего трения песчаных грунтов может быть определен с помощью статического и динамического зондирования. По данным статического зондирования угол φ имеет следующие значения:

q c , МПа	1	2	4	7	12	20	30
φ , град	26	28	30	32	34	36	38

Значения φ по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.19. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов на срез. Для сооружений III класса допускается определять φ только по результатам зондирования.

ТАБЛИЦА 1.19. ЗНАЧЕНИЯ УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

М.11.1. Чем вызывается сопротивление грунта срезу?

Сопротивление грунта срезу вызывается сопротивлением междучастичных связей, зависящим от прикладываемого давления. Прочность связей зависит от вида грунта, его влажности и плотности.

М.11.2. Какая разница между срезом и сдвигом? Какой вид имеет схема прямого среза?

Срез происходит по определенной поверхности. Схема разрушения представлена на рис.М.11.2. Деформация сдвига захватывает некоторый объем и связана с перекашиванием прямоугольного элемента.

Под прямым срезом в механике грунтов понимается срез, изображенный на рис.М.11.2, однако часто под сдвигом понимается и прямой срез, а эти понятия отождествляются.

М.11.3. Что называется «критической» пористостью песка и какому состоянию песка она соответствует?

Деформация сдвига в грунтах связана с изменением объема, так как при сдвиге происходит перекомпоновка частиц. Особенно явно это проявляется в песке. При сдвиге в плотном песке происходит его разуплотнение, а в рыхлом  уплотнение. Однако существует такая начальная пористость песка, которая при сдвиге не изменяется. Эта пористость называется критической. Критическая пористость ближе по своему значению к максимальной.

М.11.4. Какой вид имеет закон Кулона для несвязного грунта? Что называется углом внутреннего трения песка?

Закон Кулона для несвязного грунта имеет следующий вид (рис.М.11.4,а):

где   угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения следует рассматривать как параметр линейного графика среза образца песчаного грунта, который проведен через начало координат.

Однако в ряде случаев диаграмма может иметь начальный участок c 0 , называемый зацеплением. Обычно величина этого зацепления очень невелика.

М.11.5. 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.

М.11.6. Чем вызывается сопротивление срезу связного грунта?

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

М.11.7. 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.

М.11.8. Что такое полное, эффективное и нейтральное давления? Что называется гидростатическим и поровым давлением?

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.

М.11.9. Какова зависимость (закон Кулона) для неконсолидированного и консолидированного испытания?

Закон Кулона для связного грунта записывается следующим образом (см.рис.М.11.4,б):

где   угол внутреннего трения; c  удельное сцепление.

Эта зависимость определяет предельное состояние грунта. Если состояние в глинистом грунте неконсолидированное, то имеет место давление в поровой воде (поровое давление) u , и этот закон будет следующим:

где  полное давление на площадке уже в полностью консолидированном состоянии, а разность (-u ) представляет эффективное давление, то есть давление, приходящееся на скелет грунта. Строго говоря,  и c следует рассматривать лишь как параметры линейного графика среза связного грунта.

М.11.10. Для чего служит диаграмма Мора? В каких координатах она строится?

Диаграмма Мора (рис.М.11.10) служит для определения всех компонентов напряжений, действующих по любой, как угодно направленной площадке в точке сплошной среды. Таким образом, диаграмма Мора характеризует напряженное состояние в точке. Это напряженное состояние будет предельным, если круг Мора касается предельной огибающей кругов Мора. Если он не касается этой предельной огибающей, то состояние будет непредельным. Пересекать предельную огибающую он не может. Предельная огибающая может быть прямолинейной или, в более общем случае, криволинейной  это зависит от свойств среды, т.е. грунта. Диаграмма Мора строится в координатах  (касательное напряжение) —  (нормальное напряжение) для любой площадки.

М.11.11. Какая разница между диаграммой Мора и диаграммой Кулона? Какие координаты используются при построении этих диаграмм?

Формальной разницы нет, поскольку при построении той и другой диаграммы по оси абсцисс откладывается нормальное напряжение  , а по оси ординат касательное напряжение  . Но существенная разница заключается в том, что диаграмма Кулона относится лишь к одной из площадок, проходящих через рассматриваемую точку в массиве грунта, а диаграмма Мора относится ко всем площадкам, проходящим через эту рассматриваемую точку, то есть диаграмма Мора включает в себя диаграмму Кулона как частный случай.

М.11.12. Как записать условие прочности Мора и условие прочности Кулона? Какая между ними принципиальная разница?

Условие Мора в частном случае, когда напряжения входят в него линейно, записывается так:

где  1 > 2  главные напряжения.

В общем случае, когда огибающая предельных кругов Мора не прямолинейна, эта зависимость будет иметь функциональный вид и здесь не приводится. В условие Мора входят два главных напряжения  1 и  2. Оно связано с напряжениями, действующими в точке грунта, и не привязано только к наиболее опасной площадке как условие прочности Кулона. Но с помощью диаграммы Мора эту наиболее опасную площадку можно найти.

Условие прочности Кулона, связанное только с наиболее опасной площадкой, проходящей через данную точку, имеет вид

При этом напряженное состояние в точке в целом не рассматривается.

М.11.13. Каково минимальное число опытов для определения угла внутреннего трения  и удельного сцепления c ?

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

М.11.14. Как записать условие прочности Мора в координатах  z ,  x и  xz ? Какие частные случаи следуют из диаграммы Мора?

Условие прочности Мора записывается в напряжениях  z ,  x и  xz следующим образом:

Это условие получается из рассмотрения прямоугольного треугольника AO B в круге Мора (рис.М.11.14.), где AB = xz ; .

Частные случаи следующие:

1)  2 = 0  одноосное сжатие;

2)  2 =- 1  чистый сдвиг, когда  1 + 2 = 0;

3)  1 = 0  одноосное растяжение ( 2

М.11.15. Какие лабораторные методы определения характеристик прочности глинистого грунта вы знаете?

В лабораторных условиях для этой цели используются методы:

 прямого среза;

 трехосного сжатия;

 сжатия-растяжения;

 испытания в приборе с независимым регулированием трех главных напряжений;

 испытания в приборе «шариковой пробы».

М.11.16. Каким образом обычно проводятся опыты в приборе прямого среза и в стабилометре?

На приборе прямого среза (схема среза представлена на рис.М.11.16,а) обычно для получения у глинистых грунтов практически одного и того же значения коэффициента пористости все образцы-близнецы первоначально обжимаются при максимальном значении давления, а затем они все, кроме одного, разгружаются до величины того давления, при котором будет производиться его срез. При таком способе предварительного обжатия с последующей разгрузкой начальная пористость у всех образцов окажется практически одинаковой. Полученные величины нормального давления и соответствующие им значения максимальных касательных напряжений, действующие на площадке среза, подвергаются статистической обработке с целью получения нормативных величин удельного сцепления и угла внутреннего трения. Образцы песчаных грунтов также могут быть предварительно обжаты и доведены до необходимой пористости, соответствующей заданной. При сдвиге-срезе песчаного грунта необходимо обеспечить, чтобы песчинки не попадали бы между взаимосдвигающимися кольцами обоймы.

Таким же образом производится подготовка образцов для испытания в стабилометре (рис.М.11.16,б). Обжатие образцов в этом случае производится сначала при одном и том же всестороннем давлении, а затем для остальных образцов производится разное уменьшение всестороннего давления до величины, при которой намечается раздавливание образца вертикальным давлением. Обжатие производится до того времени, когда завершится процесс консолидации и порового давления не будет. Однако могут быть произведены и «быстрые» сдвиги-срезы, когда прочность обеспечивается практически одним лишь сцеплением.

М.11.17*. Какова схема прибора с независимым регулированием трех главных напряжений?

Этот прибор имеет кубическую форму. Образец грунта также представляет собой куб (рис.М.11.17), окруженный обоймой. Каждая из шести пластин, примыкающих к граням грунтового куба, имеет гидравлическую камеру, наполненную жидкостью, с резиновой диафрагмой. Давление жидкости в этих полностью одинаковых камерах измеряется манометрами. В противоположно расположенных камерах оно создается одинаковым. По понижению уровня жидкости в мерных трубках судят о вошедшем в камеру объеме жидкости, что позволяет рассчитать деформации образца в соответствующем направлении.

М.11.18*. Что такое параметр Лоде и в каких пределах он изменяется?

Параметр Лоде показывает «вид» напряженного состояния и выражается через главные напряжения или главные деформации. Для напряжений он определяется выражением

где обязательно должно выполняться условие  1   2   3 . Для деформаций в этой формуле следует  заменить на  . При обычном условии стабилометра, когда  1 >  = 3 , получим   = -1, для другого случая, иногда именуемого «растяжением», когда  1

С помощью диаграммы Мора возможно представление пространственного напряженного состояния. Для этого изображаются три круга напряжений, как это показано на рис.М.11.18, которые касаются друг друга. Если  2 = 3 или  2 = 1 , то диаграмма представляется одним кругом. С помощью трех кругов возможно также представить и параметр Лоде. Для этого из точки касания кругов M 2 очерчивается дуга M 2K с центром O 1 , равная - 2 . Далее точка M 1 соединяется с K ; тангенс угла  =О 1 M 1 K численно равен параметру Лоде   . Если принять, что   величина отрицательная при отсчете ее против часовой стрелки, то параметр   отрицательный, а если его отсчитывать по часовой стрелке, то он положительный. В последнем случае точка M 2 будет правее точки O 1 и точка K будет расположена выше O 1 .

М.11.19. 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.также М.11.20 и М.3.20.

М.11.20. Что такое крыльчатка и сколько характеристик прочности можно получить с ее помощью?

Строительные свойства грунтов определяются их физико-механическими свойствами. Свойства грунтов неразрывно связаны с их характеристиками, которые определяются действующими нормами и стандартами.

Существенное влияние на свойства нескальных грунтов оказывают плотность и влажность грунтов.

Свойства пылевато-глинистых грунтов находятся в большой зависимости от влажности. Если в талом грунте содержится только прочносвя-занная вода, то грунт находится в твердом состоянии. При наличии рыхлосвязанной воды грунт становится пластичным. При свободной воде в порах грунт переходит в текучее состояние.

Таким образом, при насыщении водой пылевато-глинистый грунт вначале размягчается, потом переходит в пластичное и, наконец, текучее состояние.

Пластичность — это способность грунта деформироваться под действием внешних усилий без разрыва сплошности и сохранять форму после прекращения действия этих усилий. Пылевато-глинистые грунты находятся в пластичном состоянии в определенном диапазоне влажности, границы которого называются пределами пластичности: w P-нийний предел пластичности (предел раскатывания) соответствует влажности, ниже которой грунт переходит в твердое состояние; wL- верхний предел пластичности (предел текучести) отвечает влажности, выше которой грунт переходит в текучее состояние.

Особенностью грунтов как пористых тел является их способность фильтровать воду. Фильтрация зависит от степени уплотнения грунтов. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации К.

Основными пааметрами механических свойств грунтов являются прочность и деформационные характеристики грунтов: угол внутреннего трения ф, удельное сцепление с, модуль деформации Е и предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Rc.

Угол внутреннего трения — это угол, тангенс которого равен коэффициенту внутреннего трения грунта.

Угол внутреннего трения ф для различных видов нескальных грунтов колеблется в следующих пределах: песчаных 25-43; пылевато-глинистых 7-30°.

Коэффициент внутреннего трения — отношение приращения разрушающего касательного напряжения к соответствующему приращению нормального напряжения на поверхности сдвига.

Под сцеплением понимается сопротивление структурных связей всякому перемещению связываемых ими частиц грунта. Сцепление присуще пылевато-глинистым грунтам.

Сопротивление сдвиуу нескальных грунтов определяется силами трения и сцепления, величины которых зависят от вида грунта и его влажности.

Ориентировочные значения удельного сцепления грунтов составляют: песчаных 0-0,08, пылевато-глинистых грунтов 0,05-1 кПа.

Прочность грунтов характеризуется их способностью сопротивляться внешним силовым воздействиям.

Оценка прочности скальных грунтов производится по пределу прочности на одноосное сжатие Rc, а нескальных грунтов по их механическим прочностным характеристикам с и ср.

В строительстве в основном разрабатываются крупнообломочные песчаные и пылевато-глинистые грунты. На выбор технологии производства работ, трудоемкости и стоимости земляных, буровых и свайных работ оказывают значительное влияние плотность, влажность, прочность, разрыхляемость, кусковатость и другие свойства. Некоторые их этих свойств были рассмотрены выше.

Влажность грунта оказывает значительное влияние на способ разработки грунта и на способность грунтов к уплотнению. В практике принято грунты влажностью до 5% считать сухими (или маловлажными), свыше 30%- мокрыми, а от 5 до 30%- нормальной влажности. С повышением влажности до определенного предела плотность грунта увеличивается. При дальнейшем увеличении влажности плотность уменьшается.

Влажность, которая соответствует наибольшей (оптимальной) плотности грунта при наименьших затратах труда на уплотнение, называется оптимальной влажностью wonr-

Для повышения производительности машин, снижения трудоемкости работ, а также повышения их качества (уплотнение грунта, устройство насыпей и др.) грунты доводят до оптимальной влажности, которая определяется гранулометрическим составом грунта.

При значительной влажности пылевато-глинистых грунтов появляется липкость, которая усложняет выгрузку грунта из ковша или кузова машины, усложняет работу конвейера и ухудшает условия передвижения машин и транспорта.

Липкостью называют способность грунтов при определении влажности прилипать к поверхности различных материалов. Липкость является отрицательным свойством грунтов, а во всех необходимых случаях требуется, оценивать грунт с этой стороны. В количественной форме липкость выражают в кПа, измеряя усилие, необходимое для отрыва прилипшей пластинки к грунту.

Липкость грунтов обнаруживается обычно только в присутствии рыхло связанной воды. По мере увеличения влажности липкость быстро растет и достигает максимального значения, когда силы притяжения воды к грунтовым частицам и к предметам, соприкасающимся с ними, становятся одинаковыми. При дальнейшем увеличении влажности липкость резко уменьшается. Липкость связана с консистенцией грунта. Начало прилипания наблюдается при мягкоплас-тичной консистенции; при текуче-пластичной консистенции прилипание резко уменьшается.

Наибольшей прилипаемостью (0,04 0,1 МПа) отличается глинистая фракция. Поэтому с увеличением дисперсности грунтов липкость возрастает Увеличение давления рабочих органов землеройных машин на грунт вызывает повышение липкости.

Размокаемость представляет собой процесс полной или частичной утраты грунтом прочности под действием спокойной воды. Этот процесс характеризуется определенной продолжительностью, характером распада грунта и его конечной влажностью. Способность к размоканию понижается по мере перехода от мелких суглинков к глинам и от очень пористых к малопористым грунтам. Чем меньше исходная влажность, тем энергичнее происходит распад грунта. При естественном сложении грунт распадается медленнее, чем при нарушенном. О способности грунтов к размоканию необходимо знать при обеспечении устойчивости стенок и откосов котлованов и земляных сооружений, заполненных водой.

Размываемость — это разрушение грунтов под действием текучих вод. Размываемость зависит от состава грунта, его строения, характера структурных связей, а также степени минерализации и т. д. Размываемость характеризуется критической размывающей скоростью водного потока, при которой начинается отрыв отдельных частиц и их перемещение водой.

Глинистые грунты благодаря структурным связям менее подвержены размыву, чем мелкозернистые пески и пылеватые грунты. Критическая скорость размыва глинистых грунтов составляет 0,7-1,2 м/с.

Данные о размываемости грунтов необходимы для проектирования водоотводных канав и каналов, а также откосов земляных сооружений.

При устройстве оснований и фундаментов следует считаться со способностью некоторых грунтов к набуханию. Набухание — это способность грунтов увеличиваться в объеме в результате поглощения воды. Набухание характеризуется коэффициентом набухан,я, представляющим собой отношение объема грунта после набухания к первоначальному объему. Ориентировочные значения коэффициентов набухания грунтов следующие:

тяжелая вязкая

обычная пластичная суглинок:

лесс и лессовидный грунт супеси

песок пылеватыи

Набухание грунтов также характеризуется давлением набухания, влажностью набухания и относительной усадкой при высыхании.

Знание тиксотропных свойств грунтов необходимо при погружении свай, буровых работах, приготовлении глинистых растворов, а также при устройстве фундаментов и подземных сооружений способом «стена в грунте».

Под тиксотропией понимают переход геля в золь и обратно после прекращения воздействия. Тиксотроп-ные явления характерны для глинистых грунтов с коагуляционными связями. Связь между частицами и механическая прочность уменьшаются по мере увеличения влажности грунта,

При нарушении структурных связей в результате механического воздействия (вибрация, динамические нагрузки, знакопеременные давления) тиксотропное разрушение может быть полным (разжижение) или частичным (размягчение).

Разрыхляемость — это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами, при этом плотность грунта уменьшается. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления. Коэффициент первоначального разрыхления определяют по формуле

Разрыхленныу грунт, уложенный в земляное сооружение, уплотняется. Однако такой грунт не занимает первоначального объема, который он имел до разработки, и сохраняет некоторое разрыхление, характеризуемое коэффициентом остаточного разрыхления /С0.Р, значение которого для песчаных грунтов находится в пределах 1,01 — 1,025; суглинистых 1,015-1,05 и глинистых 1,04-1,09.

Величина коэффициента Ко р обычно меньше КР на 15-20%.

При устройстве различного рода выемок и насыпей важно знать допустимую крутизну откосов. Крутизна откосов связана с понятием угла естественного откоса.

Угол естественного откоса — это наибольший угол, который может быть образован откосом свободно насыпанного грунта в состоянии равновесия с горизонтальной плоскостью.

Угол естественного откоса зависит главным образом от гранулометрического состава и формы частиц. С уменьшением размера зерен угол естественного откоса становится положе. Угол естественного откоса характеризуется физико-механическими свойствами грунта, при которых грунт находится в предельном равновесии. Для грунтов, не обладающих сцеплением (сыпучих) , угол естественного откоса равен углу внутреннего трения.

Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для связных пылевато-глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°.

Практически крутизна откосов земляных сооружений выражается отношением высоты к заложению (горизонтальной проекции откоса) h:a = = 1:m, где m — коэффициент откоса.

Строительными нормами и правилами установлены значения крутизны откосов для постоянных и временных земляных сооружений в зависимости от их глубины или высоты. Откосы насыпей постоянных сооружений делают более пологими, чем откосы выемок. При устройстве временных выемок допускаются более крутые откосы.

В связных грунтах крутизна откоса изменяется от максимальной величины в верхней части земляного сооружения до минимальной +- в нижней, приближаясь к углу внутреннего трения. В связи с этим откосы высоких насыпей и глубоких выемок устраивают с переменной крутизной, с более пологим очертанием внизу.

Грунты классифицируют по трудности разработки в зависимости от типа применяемой машины. Классификация грунтов по трудности разработки в ЕНиР составлена отдельно для немерзлых (I-VI) группы и мерзлых (1м-IVM) грунтов. Разрыхленные немерзлые грунты нормируют на одну группу ниже, чем эти же грунты в массиве, т. е. в неразрых-ленном состоянии. В ЕНиР (Сб. 2. Земляные работы. Вып. I, 1986 г. разд. 1. Техническая часть, табл. 1 и 2) дана классификация грунтов по трудности их разработки в зависимости от видов землеройных машин и свойств грунта.

Для оценки трудности разработки грунта используют показатель удельного сопротивления резанию (копанию) Кр которое представляет собой отношение касательной составляющей усилия, развиваемого на режущей. кромке ковша землеройной машины, к площади поперечного сечения срезаемой грунтовой стружки.

Значение KF зависит от свойств грунта и конструктивного исполнения рабочего органа землеройной машины.

Распространенной классификацией горных пород по крепости является их классификация по шкале М. М. Протодьяконова. Коэффициент крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова составляет одну сотую долю от временного сопротивления одноосному сжатию. Коэффициент крепости / используют для оценки прочности горных пород.

Косвенными показателями прочности грунтов являются скорость их бурения, а также число ударов ударника ДорНИИ.

Буримость — сопротивляемость горной породы разрушению буровым инструментом, которая характеризуется чистой скоростью бурения.

Свойства грунтов оказывают существенное влияние на трудоемкость устройства забивных и набивных свай.

По трудности погружения свай молотами грунты разделяют на две группы:

I-почвы (растительный слой), торф, пластичные и текучие супеси, суглинки и глины от тугопластичных до текучих лессы от мягкопластичных до текучих без включения гравия и гальки (дресвы и щебня) или с содержанием их до 10%;

II- пески различной крупности от рыхлых до плотных, песок пылева-тый, насыщенный водой, гравий, супеси твердые, суглинки и глины, твердые и полутвердые, твердые лессы без крупных включений или с содержанием в них до 30% гравия и гальки (дресвы и щебня) крупностью фракции до 100 мм, также грунта I группы с включением гравия и гальки от 10 до 30%.

При использовании буронабивных свай грунты классифицируют в зависимости от устойчивости стенок скважин и трудности бурения грунтов различными способами.

По устойчивости скважин грунты делятся на две группы:

устойчивые — глинистые маловлажные грунты (твердые и полутвердые суглинки и глины, твердые супеси), а также скальные неразрушенные грунты;

неустойчивые — насыщенные водой, пылевато-глинистые грунты, плывуны, крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески и разрушенные скальнце грунты.

Различные грунты имеют различную электропроводность, которая имеет практическое значение при выполнении технологических процессов, связанных с пропусканием через грунт электрического тока (осушение грунтов и погружение опускных колодцев с помощью электроосмоса, оттаивания грунтов, закрепление грунта с использованием электрического тока и др.). Так как минеральные частицы, входящие в состав грунта, обычно не являются проводниками, электропроводность зависит от степени насыщения его водой. твердая фаза грунта. Теплопроводность грунтов зависит от пористости и влажности. Чем больше пор, не занятых водой, тем меньше теплопроводность. Максимальную теплопроводность имеет грунт при полном водонасыщении.

Теплоемкость — свойство грунтов поглощать тепло при нагревании, характеризуется удельной теплоемкостью с, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг грунта на 1 К,Дж/ (кг-К). Под объемной теплоемкостью с0 понимают количество тепла, потребное для нагревания 1 м3 грунта на 1°С. Для различных грунтов удельная теплоемкость составляет 250-900 Дж/(кг-К). Чем суше грунт, тем меньше его теплоемкость.

Выберите термин Угловая характеристика генератора Угол внутреннего трения Угол заложения откоса Угонная частота вращения Угреходы Ударный ток короткого замыкания Удельный вес материала Удельный расход энергетических ресурсов Узел деривационных ГЭС головной Узел деривационных ГЭС станционный Укрепительная цементация Укрупненный блок Универсальная характеристика гидротурбины Уплотнение затворов Уравнительный резервуар (башня) Уровень верхнего бьефа (УВБ) Уровень мертвого объема водохранилища (УМО) Уровень нижнего бьефа (УНБ) Уровень нормальный подпорный (НПУ) Уровнемер Усадка бетона Условия однозначности Условное топливо Услуга

Угол внутреннего трения

Угол внутреннего трения φ° характеризует трение между частицами грунта и в большей степени зависит от величины вертикального давления на грунт. Значение его для разных грунтов колеблется от 15 до 43°. Угол внутреннего трения φ° и сцепление С вместе составляют сопротивление τ грунтов сдвигу. По ее величине назначается безопасная крутизна откосов выемок и насыпей. Сопротивление грунта внешним сдвигающим силам определяется по закону Кулона:

τ = Ptg φ + C

где Р – нормальная сжимающая нагрузка;
tg φ – коэффициент трения.

Выбор модели грунта и её параметров в расчётах геотехнических объектов

А. И. Голубев
ГОУ ВПО СПбГПУ, Санкт-Петербург, Россия
А. В. Селецкий
ООО «НИП-Информатика», Санкт-Петербург, Россия

АННОТАЦИЯ: Статья посвящена вопросу обоснования выбора математической модели грунта и определению ее параметров. В качестве сопоставляемых моделей выбраны две наиболее популярные упругопластические модели: модель Кулона-Мора и модель упрочняющегося грунта. Приведены результаты методики определения расчетных параметров этих моделей путем сопоставления результатов компьютерного моделирования стабилометрических испытаний в программе PLAXIS с лабораторными данными. В рамках выбранных моделей выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов с ограждающими конструкциями. Дан анализ выявленных характерных различий в прогнозе деформаций объектов и усилий в конструкционных элементах.

1. Введение

Комплексное расчетное обоснование проектов строительства, эксплуатации, реконструкции сооружений в сложных инженерно-геологических условиях, в том числе в стесненной городской застройке, стало невозможным без использования современных компьютерных программ. При этом следует помнить, что расчеты, по результатам которых будет принято проектное решение, следует проводить только после серии предварительных расчетов исследовательского характера, учитывающих влияние ряда факторов при математическом моделировании работы геотехнической системы. Наиболее важными из них являются вопросы создания геометрической модели, конечно-элементной расчетной схемы и выбора модели грунта.

В современной практике геотехнических расчетов используются математические модели грунта разной степени сложности. Преимущество простых моделей заключается в меньшем количестве входных параметров, а также в простоте и ясности определяющих уравнений. Однако результаты моделирования в этом случае могут быть достаточно грубыми и плохо согласующимися с реальными данными. Сложные, усовершенствованные модели позволяют

описать поведение грунта более точно, но они требуют более широкого набора характеристик грунта, а также достаточной осведомленности и опытности инженера при выборе модели, ее параметров и анализе полученных результатов расчетов.

2. Две альтернативные модели

Декларируемый в строительных нормах принцип проектирования по предельным допускаемым деформациям может быть реализован в полной мере только при использовании упругопластических моделей грунта, позволяющих описывать напряженно-деформированное состояние на всем диапазоне изменения нагрузок, вплоть до предельных (разрушающих) значений. Возьмем две такие модели: упругоидеальнопластическую модель (модель Кулона-Мора) (Бугров, 1974) и упругопластическую модель с упрочнением (Schanz et al, 1999). Эти модели включены в программный комплекс PLAXIS, что позволяет провести сравнительный анализ и оценить влияние выбранной модели и ее расчетных параметров на прогнозируемое развитие напряженно-деформированного состояния грунта.

При расчетном обосновании многих геотехнических проектов с помощью PLAXIS инженеры часто отдают предпочтение наиболее простой из этих моделей — модели Кулона-Мора (КМ), порой из-за ограниченных данных инженерно-геологических изысканий. Эта модель требует определения всего четырех расчетных параметров грунта: модуля общей деформации Е, коэффициента Пуассона ν, сцепления с и угла трения φ. Модель упрочняющегося грунта (УГ) является усовершенствованной упругопластической моделью, для которой, помимо параметров прочности с и φ, требуется определить модули деформации при первичном нагружении Е и разгрузке Е_ur, одометрический модуль Е_oed, а также показатель степени зависимости жесткости грунта от уровня напряжений m. Эти входные расчетные характеристики жесткости соответствуют определенным эталонным напряжениям, при которых выполнены испытания грунта в стабилометре и одометре. Реальные же характеристики жесткости рассчитываются программой PLAXIS по достигнутым значениям напряжений с учетом  развития напряженно-деформированного состояния грунта по гиперболической зависимости.

3. Определение параметров моделей. Лабораторные и виртуальные испытания грунта

Выбор расчетной модели грунта и определение ее параметров возможны на основе сопоставления результатов лабораторных испытаний и их виртуальных компьютерных аналогов. На рис. 1 представлены результаты стабилометрических испытаний песка в виде графического паспорта грунта (Зарецкий, 1988). По этим данным, согласно методике определения расчетных характеристик (Brinkgreve et al, 2008), были получены деформационные и прочностные параметры модели КМ и модели УГ (таблица 1). В качестве базовой характеристики жесткости принимается секущий модуль деформации Е₅₀^ref, соответствующий значению бокового давления в стабилометре р^ref =100 кПа и 50% прочности грунта.

Программа PLAXIS располагает опцией оперативного математического моделирования стандартных лабораторных испытаний грунтов с использованием имеющихся расчетных моделей (опция «soil test»).

Рис. 1. Графический паспорт песка

Параметр	Модель КМ	Модель УГ
Е50ref, МПа	21,5	21,5
Еoedref, МПа	—	21,5
Еurref, МПа	—	64,5
ν	0,32	—
m	—	0,9
с, МПа	0	0
φ, градус	32	32

На рис. 2 представлены результаты лабораторных стабилометрических испытаний и виртуальных испытаний при использовании модели КМ и модели УГ с приведенными в таблице 1 расчетными параметрами.

Рис. 2. Результаты лабораторных испытаний и расчетов

Модель УГ дает хорошее соответствие опытным данным при всех трех уровнях бокового давления р =100, 200 и 300 кПа на образец грунта. Модель КМ приводит к большому отклонению от опытных результатов при значениях бокового давления р = 200 кПа и 300 кПа. Это связано с заданием постоянной жесткости грунта, определенной при р = 100 кПа, и требует дополнительной корректировки при других давлениях. Результаты такой корректировки модуля деформации Е₅₀ приведены на рис. 3.

Рис. 3. Корректировка расчетного модуля деформации в модели КМ

4. Тестовые расчеты

В качестве теста для оценки влияния выбранной модели и ее расчетных параметров на результаты прогноза напряженно-деформированного состояния геотехнического объекта был выполнен расчет ограждения глубокого котлована. На рис.4 приведена расчетная конечно-элементная схема правой половины котлована, включающая однородное песчаное основание мощностью 36 м, ограждающую стену высотой 24 м с одним ярусом грунтовых инъекционных анкеров, установленных с шагом 1 м. Процесс экскавации грунта до глубины 12 м моделировался тремя этапами откопки по 4 м каждый. Для стены приняты расчетные значения жесткостей: ЕI=3,62·10⁵ кН·м²/м, ЕА=1,73·10⁷ кН/м; для анкера — ЕА=5,0·10⁵ кН (корень анкера), ЕА=4,2·10⁶ кН (тяга анкера).

Модель КМ использовалась в трех вариантах задания деформационных параметров. В первом варианте для грунтового основания задавался постоянный модуль деформации, соответствующий природному боковому давлению р =100 кПа на глубине отбора образца 12 м (отметка дна котлована) при плотности грунта 17,7 кН/м³ и коэффициенте бокового давления 0,47. Во втором варианте учитывалось увеличение жесткости грунта с глубиной залегания слоев. Для этого однородное грунтовое основание было разбито на три слоя толщиной по 12 м. В пределах каждого слоя были определены значения модулей деформации, как средние по глубине величины, в соответствии с корректировкой результатов стабилометрических испытаний (рис. 3). В третьем варианте переменный по глубине модуль деформации (вариант 2) был заменен на модуль упругости Е_ur = 3Е, поскольку основной причиной изменения напряжений и деформаций в грунтовом основании является экскавация грунта и, следовательно, расчетная жесткость грунта должна соответствовать не состоянию первичного нагружения, а состоянию разгрузки. По этой же причине в варианте 3 коэффициент Пуассона принят равным 0,2. Три варианта расчетных модулей деформации грунта для модели КМ приведены в таблице 2. В расчетах с использованием  модели УГ приняты параметры, указанные в таблице 1.

Рис. 4. Расчетная схема котлована

Слои	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
Слой 1	21,5 МПа	11,0 МПа	33,0 МПа
Слой 2	21,5 МПа	31,0 МПа	93,0 МПа
Слой 3	21,5 МПа	48,0 МПа	144,0 МПа

На рис. 5 показаны эпюры изгибающих моментов в стене. Наибольшие значения, как в верхней, так и в нижней половине стены получены расчетом по модели УГ. Например, на отметке -9.0 м превышение составляет от 12% до 55% в зависимости от варианта расчета по модели КМ. Использование модели УГ дает также большее значение усилия в анкерной тяге (на 30%). Таким образом, расчеты по упрощенной модели КМ дают заниженные результаты.

Рис. 5. Изгибающие моменты в стене:
1– модель КМ вариант 1; 2–модель КМ вариант 2;
3– модель КМ вариант 3; 4–модель УГ

Рис. 6. Вертикальные перемещения поверхности основания:
1– модель КМ вариант 1; 2–модель КМ вариант 2;
3– модель КМ вариант 3; 4–модель УГ

На рис. 6 показаны вертикальные перемещения поверхности грунтового основания за пределами стены котлована. Использование модели КМ (варианты 1, 2) приводит вместо ожидаемой осадки поверхности к ее подъему и обратному наклону к горизонту, что противоречит результатам мониторинга многих котлованов при их строительстве. Расчет по модели УГ дает достоверные результаты прогноза деформации поверхности грунтового основания.

5. Результаты расчета ограждения котлована

В качестве примера моделирования работы реального геотехнического сооружения с использованием двух сопоставляемых моделей грунта ниже приведены некоторые результаты расчетов для проекта шпунтового ограждения котлована на дамбе Д-3 защитных сооружений Санкт-Петербурга, выполненного ОАО ЛЕНМОРНИИПРОЕКТ. В расчетную схему (рис. 7) включены неоднородное грунтовое основание со сложным геологическим профилем, шпунтовая стенка с плитными анкерами на двух ярусах и грунтовая насыпь (засыпка). В расчетах учтены основные этапы возведения шпунтового ограждения котлована: строительство стены, поэтапная отсыпка грунта, устройство плитных анкеров.

Рис. 7. Расчетная схема шпунтового ограждения

Расчетные характеристики грунтов природного основания, представленные в материалах инженерно-геологических изысканий, достаточны для проведения расчетов только в рамках модели КМ (таблица 3). Характеристики грунта засыпки соответствуют заданной проектной плотности песка при его послойной отсыпке и укатке. Все расчетные параметры модели КМ были преобразованы согласно рекомендациям PLAXIS (Brinkgreve et al, 2008) в основные параметры альтернативной модели УГ, которые приведены в таблице 4. Перечень грунтов (от супеси до глины 2) в таблицах 3, 4 соответствует последовательности залегания слоев от поверхности основания.

Все элементы ограждающей конструкции (шпунтовая стенка, анкерные плиты, анкерные тяги) представлены упругими линейно деформируемыми материалами со своими жесткостными характеристиками, приведенными в таблице 5.

Параметр	Супесь	Суглинок	Песок	Глина 1	Глина 2	Песок засыпки
E, МПа	40,0	50,0	18,0	80,0	170,0	30,0
n	0,32	0.35	0.30	0,35	0,35	0,30
с, МПа	0,025	0,058	0,001	0,055	0,083	0
j, град	29	27	27	22	24	32

Параметр	Супесь	Суглинок	Песок	Глина 1	Глина 2	Песок засыпки
Е50ref, МПа	40,0	50,0	18,0	80,0	170,0	30,0
Еoedref, МПа	30,0	35,0	18,0	40,0	85,0	30,0
Еurref, МПа	160,0	200,0	54,0	400,0	850,0	90,0
m	0,7	1,0	0,5	1,0	1,0	0,5
с, МПа	0,025	0,058	0,001	0,055	0,083	0
j, град	29	27	27	22	24	32

Параметр	шпунт	плита нижнего яруса	плита верхнего яруса	тяга
ЕА, кН/м	1,54 107	1,54 107	2,1 107	—
EI, кН/м	1,79 106	1,79 106	6,30 105	—
n	0.00	0.00	0.15	—
EA, кН	—	—	—	2,10 105

На рис. 8, 9 приведены соответственно эпюры изгибающих моментов в шпунтовой стенке и ее горизонтальные перемещения. В таблице 6 даны значения максимального изгибающего момента M_max, горизонтального перемещения верха стенки U_x и усилий в анкерных тягах нижнего F_а,н и верхнего ярусов F_а,в. Эти результаты показывают, что использование модели КМ приводит к занижению как деформаций, так и усилий в ограждающей конструкции, что идет «не в запас» при оценке ее устойчивости и прочности.

Рис. 8. Изгибающие моменты в стенке:
1 – расчет по модели УГ, 2 – расчет по модели КМ

Рис. 9. Горизонтальные перемещения стенки:
 1 – расчет по модели УГ, 2 – расчет по модели КМ

Таблица 6. Результаты расчетов по модели КМ и модели УГ

Модель	Mmax, кНм/м	Ux, м	Fа,н, кН	Fа,в, кН
КМ	1420	0,33	603	278
УГ	1800	0,42	754	23

6. Выводы

Сопоставление результатов лабораторных стабилометрических испытаний и их математического моделирования показали:

• использование модели Кулона-Мора дает хорошее совпадение при больших деформациях (>3-4 %), соответствующих области расчета несущей способности и устойчивости, и плохое совпадение при средних деформациях (0,3-1,5%), соответствующих области деформационного расчета для большинства фундаментов зданий и сооружений (Болдырев, 2008). Корректировка модуля деформации, по сути отражающая линейное увеличение жесткости грунта с глубиной, несколько нивелирует это отклонение;
• использование модели упрочняющегося грунта дает хорошее соответствие опытным данным на всем диапазоне деформаций, поскольку эта модель, в отличие от модели Кулона-Мора, позволяет учесть пластическое деформирование грунта на стадии его допредельного состояния.

Таким образом, модель упрочняющегося грунта можно рекомендовать для расчетов напряженно-деформированного состояния строящихся геотехнических объектов, а модель Кулона-Мора — для оценки предельного напряженного состояния, включая определение коэффициента надежности (устойчивости) геотехнической системы и возможного механизма ее разрушения, а также для предварительных деформационных расчетов в целях экономии времени.

На основании приведенных результатов расчетов хотелось бы еще раз подчеркнуть, что:

• для достоверного прогноза работы геотехнического сооружения необходимо обоснование выбора адекватной модели грунта в соответствии с целью выполняемых расчетов;
• параметры модели должны определяться на основании сопоставления лабораторных и полевых испытаний грунтов с соответствующими тестовыми расчетами в рамках выбранной модели;
• неправильный выбор модели и ее расчетных параметров может привести к неверным решениям по конструкции, технологии строительства и режимам эксплуатации, что может стать причиной аварийной ситуации для геотехнической системы.

7. Литература

• Бугров, А.К. 1974. О решении смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов, № 6, с. 20-23.
• Schanz, T., Vermeer, P.A., Bonnier, P.G. 1999. The Hardening Soil Modell – Formulation and Verification. Proceedings Plaxis Symposium “Beyond 2000 in Computational Geotechnics”, Amsterdam, pp.55-58. Rotterdam: Balkema.
• Зарецкий, Ю.К. 1988. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений. Москва: Стройиздат.
• Brinkgreve, R.B.J., Broere, W., Waterman, D. 2008. Plaxis 2D-version 9. Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. User Manual, Rotterdam: Balkema (рус. перевод. 2009, СПб: ООО «НИП-Информатика»).
• Болдырев, Г.Г. 2008. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. Пенза: ПГУАС.

Несущая способность грунта — Диаграмма давления подшипника

Помимо обеспечения ровной платформы для опалубки или кирпичной кладки, опоры распределяют вес дома, чтобы почва могла выдержать нагрузку. Нагрузка распространяется внутри самого основания под углом примерно 45 градусов, а затем распространяется в почве под более крутым углом, больше похожим на 60 градусов от горизонтали.

По мере расширения нагрузки под опорой давление на почву уменьшается. Грунт непосредственно под основанием принимает наибольшую нагрузку, поэтому его следует тщательно утрамбовать.

Найдите ближайших подрядчиков по изготовлению плит и фундаментов, которые помогут с вашими опорами.

Поскольку нагрузка распределяется, давление на почву наибольшее прямо под опорой. К тому времени, когда мы опускаемся ниже основания на расстояние, равное ширине основания, удельное давление на грунт упадет примерно наполовину. Спуститесь еще раз на ту же дистанцию, и давление упадет на две трети. Так что почва прямо под основанием является наиболее критичной и, как правило, наиболее подверженной злоупотреблениям.

Когда мы выкапываем опоры, зубья ведра взбалтывают почву и подмешивают в нее воздух, уменьшая ее плотность. Также грунт с насыпи может попасть в траншею. Рыхлый грунт имеет гораздо меньшую несущую способность, чем исходный.

Вот почему так важно уплотнять дно траншеи. Используйте уплотнитель с виброплитой для песчаных или гравийных грунтов и уплотнитель с прыгающим домкратом для ила или глины (дополнительные сведения об оборудовании для уплотнения см. В этом руководстве по грунтовому основанию и грунтовому основанию).Если вы не уплотняете эту почву, вы можете получить 1/2 дюйма осадка всего на первых 6 дюймах почвы.

Если вы копаете слишком глубоко и заменяете почву для восстановления качества, вы добавляете обратно почву, которая расширилась на 50%. Под нагрузкой он снова уплотняется и вызывает оседание. Поэтому, когда вы заменяете материал в траншее, тщательно уплотните его или используйте крупный гравий. Гравий размером полтора дюйма или больше практически самоуплотняется при его укладке. Под весом деревянного дома он не осядет в значительной степени.

Узнайте, как перекрывать мягкие участки почвы.

Таблица грузоподъемности грунта

Класс материалов	Несущее давление (фунтов на квадратный фут)
Кристаллическая коренная порода	12 000
Осадочные породы	6 000
Песчаный гравий или гравий	5 000
Песок, илистый песок, глинистый песок, илистый гравий, и глинистый гравий	3 000
Глина, песчанистая глина, илистая глина и глинистый ил	2 000

Источник: Таблица 401.4.1; Кодекс CABO для проживания одной и двух семей; 1995.

Свойства грунта и подшипник

Тип и плотность естественной почвы также важны. Международный Строительный Кодекс, как и Кодекс CABO до него, перечисляет предполагаемую несущую способность для различных типов грунтов. Очень мелкие почвы (глины и илы) обычно имеют меньшую емкость, чем крупнозернистые почвы (пески и гравий).

Однако некоторые глины или илы имеют более высокую несущую способность, чем значения в кодовых таблицах.Если вы проведете испытание почвы, вы можете обнаружить, что у вас более плотная глина с гораздо более высокой несущей способностью. Механическое уплотнение почвы также может повысить ее несущую способность.

Определение несущей способности на объекте

Проверить плотность почвы в траншее для фундамента с помощью пенетрометра. Несущая способность вашей почвы поможет вам определить, нужен ли вам неглубокий или глубокий фундамент. Прочность грунта непосредственно под основанием, где сосредоточены нагрузки, имеет решающее значение для производительности фундамента.

Вы можете получить довольно хорошее представление о несущей способности грунта на дне траншеи, используя ручной пенетрометр. Это карманное устройство представляет собой подпружиненный зонд, который оценивает давление, которое может выдержать почва, и откалиброван для получения показаний в тоннах на квадратный фут. Один из них должен быть у каждого подрядчика и строительного инспектора. Это поможет вам избежать множества неприятностей.

24 CFR § 3285.202 — Классификация грунтов и несущая способность. | CFR | Закон США

§ 3285.202 Классификация почв и несущая способность.

Классификация грунта и несущая способность грунта должны быть определены до того, как фундамент будет построен и закреплен. Классификация грунта и несущая способность должны определяться одним или несколькими из следующих методов, если несущая способность грунта не установлена, как разрешено в параграфе (f) этого раздела:

(а) Испытания почвы. Испытания грунта в соответствии с общепринятой инженерной практикой; или

(б) Почвенные записи.Почвенные записи применимого LAHJ; или

(c) Классификация почв и несущая способность. Если класс грунта или несущая способность не может быть определен с помощью испытаний или записей грунта, но его тип можно определить, можно использовать классификацию грунта, допустимые давления и значения крутящего момента, указанные в таблице к § 3285.202.

(d) Карманный пенетрометр; или

(e) Вместо определения несущей способности грунта с использованием методов, показанных в таблице, может использоваться допустимое давление 1500 фунтов на квадратный фут, если информация для конкретного участка не требует использования более низких значений, основанных на классификации и типе грунта. .

(f) Если кажется, что почва состоит из торфа, органических глин или неуплотненного грунта, или имеет необычные условия, зарегистрированный профессиональный геолог, зарегистрированный профессиональный инженер или зарегистрированный архитектор должны определить классификацию почвы и максимально допустимую несущую способность почвы. емкость.

Классификация почв		Описание почвы	Допустимая грунтовая опора давление (psf)	Счетчик ударов ASTM D 1586-99	Датчик крутящего момента Значение (дюйм-фунт) —
Классификационный номер	ASTM D 2487-00 или Д 2488-00 (зарегистрировано Ссылка , см. § 3285.4)
1		Камень или твердая сковорода	4000 +
2	GW, GP, SW, SP, GM, SM	Гравий и гравий песчаный; очень плотные и / или цементированные пески; гравий / булыжники; предварительно загруженные илы, глины и кораллы	2000	40 +	Более 550.
3	GC, SC, ML, CL	Песок; илистый песок; глинистый песок; пылеватый гравий; пески средней плотности; песчано-гравийный; и очень плотный ил, песчаные глины	1500	24–39	351-550.
4A	CG, MH	Пески рыхлые и средней плотности; устойчивы к твердым глинам и илам; аллювиальные насыпи	1000	18–23	276-350.
4B	CH, MH	Песок рыхлый; твердые глины; аллювиальные насыпи	1000	12-17	175-275.
5	OL, OH, PT	Заливка неуплотненная; торф; органические глины	См. 3285.202 (д)	0-11	Менее 175.

Свойства почвы | Прочность грунта на сдвиг

Введение:

Прочность грунта обычно определяется как сопротивление сдвигу с точки зрения эффективного угла внутреннего трения и эффективного сцепления (c ’). Это техническое примечание предназначено для обеспечения основы для оценки удельного веса грунта при отсутствии конкретных результатов испытаний.

Факторы, влияющие на прочность грунта на сдвиг

Прочность грунта на сдвиг достигается за счет взаимодействия между твердыми, жидкими и газовыми частицами в его составе.Таким образом, прочность почвы на сдвиг зависит от состава частиц почвы, количества воды в почве и того, насколько хорошо она уплотнена. Способствующие факторы включают, но не ограничиваются:

• Минералогия частиц почвы (например, кремнезема, кварца, полевого шпата и т. Д.).
• Диапазон размеров частиц почвы, также известный как гранулометрический состав.
• Угловатость частиц почвы (наиболее актуальна для крупного песка и гравия)
• Влагосодержание почвы — независимо от того, заполнены ли пустоты между частицами почвы водой (полностью насыщены) или в основном воздухом — и капиллярные силы, создаваемые взаимодействием твердых частиц, воды и воздуха.
• Степень уплотнения почвы.

Измерение прочности грунта на сдвиг

Прочность грунта на сдвиг измеряется непосредственно в лаборатории или оценивается на основе корреляций с испытаниями, проведенными на месте. В лаборатории прочность на сдвиг измеряется с помощью бокса на сдвиг или трехосных испытаний в соответствии с BS 1377-7: 1990 или BS 1377-8.:1990 соответственно.

Испытание на сдвиг границы раздела грунт / геотекстиль (предоставлено Geospec Ltd)

На месте наиболее распространенным методом является корреляция между прочностью на сдвиг и результатами SPT (стандартного испытания на проникновение).

Однако существует множество корреляций, которые можно использовать для оценки параметров прочности почвы, таких как CPT (испытание на проникновение конуса), DCP (динамический конический пенетрометр), HSV (ручная срезная лопасть), зонд Mexe, DMT (испытание на плоском дилатометре). ) и др.

Типичные параметры прочности грунта на сдвиг

Типичные параметры прочности на сдвиг для различных грунтов были оценены несколькими источниками в зависимости от объема доступной информации. Вообще говоря, информация о грунте и метод оценки прочности на сдвиг можно разделить на две категории:

1. Информация ограничена типом почвы — при отсутствии каких-либо испытаний на месте, например, когда исследование участка еще не проводилось, ABG рекомендует корреляции от Oritz (Oritz et al., 1986). Эта информация воспроизведена в Таблице 1 ниже.
2. Ограниченная информация об испытаниях — типичное исследование участка предоставит много полезной информации, но может не включать никаких прямых измерений информации о прочности почвы. В этом случае ABG рекомендует использовать рекомендации BS 8002: 2015 и BS EN 1997-2. Эта информация воспроизведена ниже в (Таблицы 2, 3 и 4). В качестве альтернативы, «Справочник по инженерно-геологическим исследованиям и таблицам проектирования» (Look, 2007) содержит широкий спектр полезных корреляций с широким спектром общих геотехнических испытаний.

Типовая общая компоновка сдвигового устройства (BS 1377-7: 1990)

Таблица 1: Типичная прочность грунта на сдвиг в зависимости от типа грунта

Таблица 2: Пески и гравий — Определение параметров прочности грунта на сдвиг (BS 8002: 2015)

Примечания к таблице 2:

1. Термины для определения формы частиц можно найти в BS EN ISO 14688-1.
2. Коэффициент однородности Cu определен в BS EN ISO 14688-2
.
3. Индекс плотности / D определен в BS EN ISO 14688-2.Плотность может быть оценена по результатам полевых испытаний (например, стандартный тест на проникновение, тест на проникновение конуса) с использованием корреляций, приведенных в BS EN 1997-2: 2007.
4. Значения m>
5. «Мелкие частицы» относятся к той фракции почвы, размер частиц которой менее 0,063 мм.

Таблица 3: Пески и гравий — Корреляция между нормализованным количеством ударов и индексом плотности (BS EN 1997-2: 2007)

Примечания к таблице 3:

Для мелкого песка значение N следует уменьшить в соотношении 55:60, а для крупного песка увеличить в соотношении 65:60

Таблица 4: Илы и глины — Определение параметров прочности грунта на сдвиг (BS 8002: 2015)

Примечания к таблице 4:

Характеристическая эффективная когезия постоянного объема (c’cvk) должна быть принята равной нулю

Список литературы

Британский институт стандартов, BS 1377-7: 1990 — Методы испытаний грунтов для целей гражданского строительства.Испытания на прочность на сдвиг (полное напряжение)

Британский институт стандартов, BS 1377-8: 1990 — Методы испытаний грунтов для целей гражданского строительства . Испытания на прочность на сдвиг (эффективное напряжение)

Британский институт стандартов, BS 8002: 2015 — Свод правил для заземляющих конструкций

Британский институт стандартов, BS EN 1997-2: 2007 — Еврокод 7 — Геотехническое проектирование, часть 2 : Наземные исследования и испытания

Смотри, Б.(2007). Справочник геотехнических исследований и расчетных таблиц . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. Ортис и др. (1986).

% PDF-1.4 % 746 0 объект > эндобдж xref 746 80 0000000016 00000 н. 0000002649 00000 п. 0000002785 00000 н. 0000003134 00000 п. 0000003186 00000 п. 0000003344 00000 п. 0000003705 00000 н. 0000004152 00000 н. 0000004638 00000 н. 0000005025 00000 н. 0000005575 00000 н. 0000006073 00000 н. 0000006302 00000 п. 0000006525 00000 н. 0000006770 00000 н. 0000006815 00000 н. 0000006893 00000 н. 0000007144 00000 н. 0000007783 00000 н. 0000008251 00000 н. 0000008886 00000 н. 0000009474 00000 н. 0000010080 00000 п. 0000010754 00000 п. 0000010979 00000 п. 0000011211 00000 п. 0000011779 00000 п. 0000012352 00000 п. 0000012587 00000 п. 0000012659 00000 п. 0000012742 00000 п. 0000012843 00000 п. 0000012897 00000 п. 0000013020 00000 н. 0000013074 00000 п. 0000013179 00000 п. 0000013228 00000 п. 0000013319 00000 п. 0000013367 00000 п. 0000013465 00000 п. 0000013513 00000 п. 0000013608 00000 п. 0000013656 00000 п. 0000013831 00000 п. 0000013944 00000 п. 0000013992 00000 п. 0000014097 00000 п. 0000014271 00000 п. 0000014368 00000 п. 0000014416 00000 п. 0000014510 00000 п. 0000014669 00000 п. 0000014761 00000 п. 0000014808 00000 п. 0000014889 00000 п. 0000014999 00000 н. 0000015046 00000 п. 0000015144 00000 п. 0000015193 00000 п. 0000015290 00000 н. 0000015339 00000 п. 0000015387 00000 п. 0000015486 00000 п. 0000015535 00000 п. 0000015637 00000 п. 0000015685 00000 п. 0000015788 00000 п. 0000015835 00000 п. 0000015882 00000 п. 0000015930 00000 п. 0000015978 00000 п. 0000016026 00000 п. 0000016137 00000 п. 0000016185 00000 п. 0000016233 00000 п. 0000016312 00000 п. 0000016367 00000 п. 0000016422 00000 п. 0000002452 00000 н. 0000001950 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 825 0 объект > поток 8> {{GM \ ie} ˅a̢R $ ʗ ɟ.| & 4 瓂 B * DυOHr! / SuTRJ7m) n * M # vǂHAX ~ ׈ rJ8, * / ZL / ܃ OlX͉? V1E QZE ؁ rrG j {; خ q3 = E5ȶ · ΑoeivnT`8 & pXYv (% BJ8uebbT

Глава 2. Предпосылки — Определение прочности заполнителей открытого типа для засыпки несущих конструкций, июнь 2015 г.

ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ ВОПРОСА

2.1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ OGA

Изготовленные OGA используются в различных транспортных приложениях, включая засыпку подпорных стен, бетон, асфальт, конструкции дорожного покрытия и опоры фундамента.Эти материалы выбираются в первую очередь из-за их прочности, отличных дренажных свойств и скорости укладки в поле. Первая известная попытка AASHTO стандартизировать градацию для обработанных агрегатов была предпринята в 1988 году, что соответствовало стандарту ASTM D448 (опубликованному в 1986 году). Стандарт включал 19 градаций, от 4 дюймов минус материал до 0,375 дюйма минус материал. Хотя с тех пор вышло шесть дополнительных версий, используются те же градации и номенклатура; Самая большая разница — исключение метрических единиц.

Для некоторых проектов подрядчики и проектировщики имеют возможность выбирать засыпки, отвечающие определенным требованиям; в других проектах тип засыпки определяет собственник. Многие государственные транспортные департаменты и другие транспортные агентства имеют спецификации, связанные с использованием AASHTO M 43, но эти рекомендации в первую очередь сосредоточены на требованиях к проектированию бетона и дорожного покрытия (см. Ссылки с 4 по 7.) Для строительных засыпок спецификации обычно более открыты. где могут использоваться OG или хорошо отсортированные заполнители, отвечающие широким требованиям по градации и долговечности.

2.2 ПРОЧНОСТЬ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Прочность на сдвиг (𝜏) гранулированных материалов является мерой их сопротивления массовой деформации, возникающей в результате комбинации качения, скольжения и раздавливания частиц. ⁽⁸⁾ Притяжение или сцепление между частицами ( c ) и угол внутреннего трения (ϕ) — это два обычно используемых параметра, используемых для количественной оценки прочности на сдвиг. Значения этих параметров прочности не являются постоянными и варьируются в зависимости от условий нагружения, истории напряжений, уплотнения, относительной плотности, ограничивающего давления, формы зерна, твердости и минералогии, а также других факторов.

Пиковый угол трения при заданном ограничении является одним из измеряемых параметров во время испытаний на сдвиг, который широко используется для характеристики прочности гранулированных материалов на сдвиг. Роу (1962) предположил, что мобилизованный пиковый угол трения может быть представлен как сумма сопротивления межчастичному скольжению или истинного угла трения (ϕ ‘ _u ), сопротивления раздавливанию и перегруппировке и сопротивления за счет расширение материала (рисунок 1). ⁽⁹⁾ Следует отметить, что рисунок 1 отображает общую тенденцию, а величина и точная форма компонентов в эскизе могут незначительно изменяться при экстремальных уровнях ограничивающего напряжения или для образцов с неоднородным минеральным составом и формой.

Рисунок 1. Диаграмма. Влияние пористости и уплотнения на сопротивление сдвигу сыпучих материалов (модифицировано из Rowe, 1962). ⁽⁹⁾

Как показано на рисунке 1, скорость расширения выше в более плотных состояниях.Причина в том, что в плотной среде перегруппировка ограничена, заставляя частицы перелезать друг через друга во время сдвига, что приводит к объемному расширению и более высоким измеренным углам трения. С увеличением доли пустот вклад компонента расширения постепенно уменьшается, и частицы сдвигаются в основном за счет перегруппировки соседних частиц, что приводит к большему сжатию и меньшему расширению гранулированного материала во время сдвига. ⁽¹⁰⁾ Общее наблюдение состоит в том, что есть чистое увеличение подвижного угла трения с уменьшением начальной пористости, потому что скорость увеличения компонента дилатансии выше, чем скорость уменьшения перегруппировки.Критическое состояние определяется в состоянии плотности, когда гранулированный материал сдвигается при постоянном объеме и напряженном состоянии. В этом состоянии степень дилатансии уменьшается и приближается к нулю; следовательно, угол трения в этом критическом состоянии называется углом трения постоянного объема (CV) (ϕ ‘ _cv ).

Визуализируя прочность на сдвиг как функцию изменяющегося ограничивающего напряжения для данного состояния плотности, аналогичные компоненты включают подвижный пиковый угол трения (рис. 2).При высоких эффективных ограничивающих напряжениях относительное движение частиц за счет расширения значительно уменьшится. Кроме того, высокая скорость разрушения из-за дробления приведет к сжатию, сдвигающему фазу от первоначально достигнутого истинного угла трения к новой фазе непостоянного объема. ⁽¹¹⁾

Рисунок 2. Диаграмма. Теоретическое определение дренированной прочности на сдвиг для песков на основе трех компонентов, составляющих подвижный угол трения (по Ли и Сид, 1967). ⁽¹¹⁾

Таким образом, важно знать факторы, способствующие развитию, и различные лабораторные испытания прочности на сдвиг, интерпретацию данных и применение параметров прочности для проектирования геотехнических приложений с помощью OGA. Испытания на месте доступны для количественной оценки или корреляции с прочностью на сдвиг на месте; однако в данном исследовании основное внимание уделяется лабораторному анализу.

Лабораторные испытания

Состояние деформаций сдвига на месте, которые в конечном итоге могут привести к отказу, часто лучше всего можно представить как проблему PS.Например, отказы в нескольких геотехнических приложениях, таких как проблемы оползней, подпорные стены, земляные плотины, длинные фундаменты, водопропускные трубы, трубопроводы, туннели и балочные фундаменты, по большей части, являются случаями PS; однако существуют значительные трудности в разработке и проведении испытаний на сдвиг полистирола. Такие испытания требуют изготовления специального приспособления, мембраны, принадлежностей и подготовки призматического образца грунта. ⁽¹²⁾ Сложность испытания на сдвиг PS заставляет исследователей и практиков в области геотехнической инженерии использовать более простые тесты DS или TX для определения прочности геоматериалов на сдвиг.

Как DS, так и TX методы широко используются при проектировании и исследованиях с целью определения прочности на сдвиг. Широкая популярность испытаний TX на сжатие частично объясняется многочисленными конструкциями, спроектированными и построенными на основе данных о прочности TX, которые хорошо работают после многих лет, способностью испытаний TX сочетать простоту с универсальностью, возможностью контроля дренажа, воспроизведение эффектов наиболее распространенных полевых условий нагружения и приложение желаемых главных и второстепенных главных напряжений. ⁽¹³⁾ Широкое применение испытаний DS для характеристики прочностных параметров сыпучих материалов объясняется их простотой, требованием более короткого времени проведения экспериментов и способностью заранее определять ориентацию поверхности разрушения по желанию и позволять определять остаточную сила. ⁽¹⁴⁾ Однако неспособность контролировать дренаж и неравномерность напряжений и деформаций в тестах DS по сравнению с тестами PS и TX препятствует пригодности устройств DS в исследованиях, которые включают поведение напряженно-деформированного состояния гранулированных материалов.

Обратите внимание, что есть несколько недостатков, связанных с тестами TX и DS по сравнению с тестами с использованием устройства PS. Одно из основных различий между TX и PS заключается в том, что в испытаниях на основе TX приложенные напряжения являются осесимметричными, что приводит к отсутствию промежуточных основных напряжений. Испытания DS ближе к условию PS, но геометрия и граничные условия испытания DS предопределяют локализованную область высоких деформаций, через которую происходит отказ; разрушение не должно происходить в его естественной плоскости. ⁽¹⁵⁾ Тесты PS лучше подходят для понимания проблем локализации деформации на месте и образования полос сдвига. ⁽¹⁶⁾ В нескольких исследованиях сообщалось о формировании полос сдвига вдоль четко определенной плоскости разрушения при сдвиге в испытаниях на сжатие полистирола, тогда как образцы, подвергнутые сдвигу в аппарате TX, редко имели отчетливую плоскость сдвига. ^(17,18,19) Вместо этого, некоторые наблюдения в микромасштабе с использованием передовых методов визуализации доказали преобладание сложных веерообразных узоров в образцах, подвергнутых испытаниям на сжатие на основе TX. ^(20,21)

Еще одно различие между различными лабораторными испытаниями на сдвиг — это наложенные боковые граничные условия. ⁽²²⁾ И PS, и DS испытания имеют жесткое граничное условие, которое значительно снижает перемещение зерен во время сдвига. Гибкая граница мембраны в тестах TX допускает боковое движение частиц, что препятствует мобилизации углов трения. Другим заметным отличием методов тестирования является их влияние на поведение при деформации после пика.Что касается песка, Стерпи (2000) указал, что тесты на основе TX предполагают идеально пластичное поведение, тогда как результаты PS показали заметные эффекты смягчения деформации, в частности, для более плотных образцов или для высоких значений уровней ограничивающего напряжения. ⁽²³⁾ В общем, измеренная прочность на сдвиг при испытании PS больше, чем измеренная при испытании DS, которая больше, чем измеренная при испытании TX.

Независимо от испытательного устройства, определение параметров прочности и деформации сыпучих материалов, содержащих частицы больших размеров, таких как каменные насыпи и OGA, требует оборудования нестандартных размеров. ⁽²⁴⁾ Чтобы охарактеризовать обычные устройства DS и TX, для которых требуются образцы меньшего размера, размеры частиц уменьшаются на основе различных методов моделирования. Как цитируют Honkanadavar и Sharma (2013), для уменьшения размера материала прототипа используются четыре метода моделирования: метод скальпирования, метод параллельной градации, построение квадратичной кривой распределения зерен по размеру и метод замены. (См. Ссылки с 25 по 29.Следуя открытиям Рамамурти и Гупты, которые показали, что параллельная градация является лучшим методом, несколько других исследователей провели испытания на сдвиг смоделированных материалов на основе техники параллельной градации. (См. Ссылки 30, 29, 24 и 31.) Результаты моделирования этих материалов могут потенциально привести к неточному поведению деформации и режимам разрушения из-за неизбежного зависящего от размера расширения и различных механизмов дробления частиц. ⁽³²⁾ Следовательно, использование крупномасштабных устройств трехосного и прямого сдвига является обязательным для реалистичного изображения прочностных и деформационных характеристик агрегатов с крупными зернами, такими как OGA.

Интерпретация данных

Прочность гранулированных материалов на сдвиг обычно характеризуется углом внутреннего трения (ϕ) и сцепления ( c ). Из-за высокой скорости дренажа в OGA, исследования сдвига для OGA следует проводить в дренированных условиях, и по этой причине напряжения и параметры прочности будут представлены в их эффективных формах напряжений (например, ϕ ‘, c’, σ ‘ ₁ , σ ‘ ₃ ).Есть три концепции представления значений углов трения для любого испытания на сдвиг. Во-первых, секущий или пиковый угол трения (ϕ ‘ _s ) может быть определен для данного испытания, подвергнутого конкретному эффективному напряжению консолидации и предполагающего нулевое значение c из-за отсутствия когезии в OGA (рисунок 3). Во-вторых, комбинированный или касательный угол трения (ϕ ‘ _t ) также может быть вычислен для того же типа агрегата (рассматриваемого как наиболее подходящий для ряда уровней напряжений), чтобы сформировать огибающую отказа MC (рис. 3).Наконец, угол трения CV может быть вычислен как угол трения, в котором есть нулевое расширение, называемый подходом с нулевым углом расширения (ZDA). ⁽³⁾

Рисунок 3. Диаграмма. Изображение секущего (ϕ) и касательного (ϕ’t) угла трения для испытаний DS

Критерий отказа MC является наиболее часто используемым подходом для определения ϕ ‘ _t (уравнение 1).

(1)

Где:

𝜏 _f = напряжение сдвига при разрушении.
c ‘ = Эффективное сцепление.
σ ‘ _n = эффективное нормальное напряжение.
‘ = эффективный угол внутреннего трения.

Для несвязных OGA член связности равен нулю. Этот подход предполагает, что разрушение при сдвиге начинается в определенной точке массы грунта, когда на некоторой поверхности, проходящей через эту точку, достигается критическая комбинация сдвиговых и нормальных напряжений. ⁽¹⁰⁾ Оборудование TX и DS разработано для определения и исследования этих критических комбинаций; затем результаты используются для расчета параметров прочности.

В испытаниях на сжатие TX предполагается, что к границам образца прилагаются только главные напряжения, причем параметры прочности извлекаются из измеренных основных (σ ‘ ₁ ) и малых (σ ‘ ₃ ) основные напряжения при отказе. Траектория напряжения сдвига ( q ) и траектория среднего напряжения ( p ‘) вычисляются для серии испытаний согласно уравнению 2 и уравнению 3 соответственно. ⁽³³⁾

(2)

(3)

При рассмотрении траекторий напряжений была разработана модифицированная граница разрушения на основе значений p и q , обычно называемая линией K _f . ⁽³⁴⁾ Огибающая определяется уравнением 4.

(4)

Где:

α = Угол, который измененная огибающая разрушения (путь напряжения) образует с горизонталью.

Соотношение между касательным эффективным углом трения (ϕ ‘ _t ) и α показано в уравнении 5.

(5)

Для испытаний TX значение секущего или пикового угла трения (ϕ ‘ _s ) для каждого конкретного испытания вычисляется с использованием уравнения 6, которое выводится из кругов Мора с применением тригонометрических соотношений. ⁽³⁴⁾

(6)

В отличие от тестов TX, основные и второстепенные основные напряжения в тестах DS не измеряются. Следовательно, приложенное нормальное напряжение и измеренное напряжение сдвига при разрушении используются для расчета этих параметров прочности. Подобно испытанию TX, отдельные пары 𝜏 _f и σ ‘ _n из серии испытаний одного и того же типа агрегата в зависимости от различных ограничивающих напряжений наносятся на график, а линейная огибающая разрушения MC разрабатывается как линия наилучшего соответствия пикового значения сдвига и нормального напряжения в этих различных точках напряжения (рис. 3).Затем вычисляется ϕ ‘ _t как арктангенс наклона линейной аппроксимации. Значение ϕ ‘ _s для каждого конкретного испытания на сдвиг определяется в соответствии с уравнением 7.

(7)

Критерий линейного отказа MC — это линейное представление нелинейной в противном случае огибающей характеристики прочности. Было разработано несколько подходов для описания этого нелинейного увеличения максимальной прочности на сдвиг гранулированных материалов как функции возрастающего ограничивающего напряжения.Силовая функция (уравнение 8), разработанная Чарльзом и Уоттсом, также была принята другими исследователями с некоторыми модификациями исходного уравнения. (См. Ссылки с 35 по 38.)

(8)

Где:

A и b = нелинейные материальные константы, которые определяются путем аппроксимации кривой экспериментальных данных. Эта модель силы кривой мощности может использоваться для интерпретации данных испытаний как TX, так и DS.

Другие модели, такие как модель Хук-Брауна, были созданы для характеристики прочности горных материалов с точки зрения главных и малых главных напряжений. Следовательно, они более актуальны для данных TX. ^(39,40,41) Эта модель также имеет материальные константы, которые необходимо оценить на основе геологических данных и дополнительных испытаний, таких как прочность на одноосное сжатие. Никс и Адамс (2013) использовали ZDA, который основан на линейной зависимости между углами трения и углами расширения как функцией различных напряжений консолидации для одного и того же агрегата. ⁽³⁾ Согласно Болтону (1986), пересечение по оси Y наилучшей линейной огибающей в этом подходе соответствует постоянному объему или углу трения критического состояния (ϕ ‘ _cv ). ⁽⁴²⁾ Преимущество этого метода состоит в том, что эффект расширения сводится на нет, и в результате получается консервативное значение прочности на сдвиг, не полагаясь на кажущееся значение сцепления, как в линейном методе MC.

В этом исследовании основное внимание уделяется простым подходам, которые используются для определения общих параметров прочности на сдвиг (например,грамм. ϕ ‘ _s , ϕ ‘ _t и ϕ ‘ _cv ), применимые как для испытаний TX, так и для DS испытаний, чтобы обеспечить беспристрастное сравнение и подход, не требующий каких-либо дополнительных испытаний на прочность. Линейная зависимость MC широко используется и принимается из-за ее приемлемой допуски для большинства геотехнических приложений. ⁽³⁶⁾ Этот подход также не требует каких-либо других испытаний на прочность или геологических данных и может использоваться для извлечения ϕ ‘ _s и ϕ ‘ _t для испытаний TX и DS.ZDA — еще один простой метод вычисления ϕ ‘ _cv . Поэтому эти два подхода приняты и сравниваются в этом исследовании для характеристики параметров прочности OGA на основе устройств TX и DS.

Практика проектирования

Практика проектирования в задачах, связанных с приложением напряжений к грунтам, может быть разделена на (а) проектирование с контролем деформации (например, осадки) и (б) проектирование с контролем отказов (например, несущее сопротивление). ⁽⁴³⁾ Другими словами, предельные состояния по эксплуатации и прочности должны соблюдаться при проектировании. Для применений, связанных с относительно жесткими конструкциями, такими как фундаменты мостов и подпорные стены, где ожидается низкая деформация, особенно важен предел прочности обратной засыпки или нижележащего грунта. Поэтому прочность засыпки на сдвиг является ключевым параметром при проектировании.

Проектирование с контролем отказов для геотехнических приложений включает определение внутреннего угла трения (ϕ), который является одним из основных инженерных параметров.Угол трения имеет решающее значение, поскольку он используется для расчета бокового давления и сопротивления подшипника. Для транспортных приложений в первую очередь используются Спецификации конструкции и конструкции мостов, разработанные AASHTO для расчета коэффициента нагрузки и сопротивления. ^(44,45,46) Для механически стабилизированных грунтовых стен (MSE) в проектных спецификациях отмечается, что для угла трения может быть принято значение 34 градуса с пределом 40 градусов, если испытание проводится. Технические характеристики конструкции требуют проверки проектного предположения о том, что материал имеет угол трения не менее 34 градусов на участке, проходящем через канал No.10 (0,08 дюйма), как определено стандартным тестом на прямой сдвиг (SDS). ⁽⁴⁵⁾ Для засыпок, у которых 80 процентов размеров больше 0,75 дюйма, испытания не требуются. В то время как спецификации AASHTO не запрещают использование OGA, рекомендации FHWA для стен MSE, принятые многими транспортными агентствами, рекомендуют использовать хорошо отсортированные материалы. ^(47,48) Для стен и устоев, армированных геосинтетическим грунтом, в строительстве могут использоваться как OGA, так и хорошо отсортированные заполнители с минимальным углом трения 38 градусов.Никаких максимальных ограничений не накладывается при надлежащих испытаниях в лаборатории.

На основе опроса государственных транспортных ведомств, примерно 74 процента ответили, что они используют предполагаемые параметры прочности для засыпки в конструкции подпорной стены, при этом 65 процентов респондентов предполагают, что угол трения составляет 34 градуса или меньше. ⁽⁴⁹⁾ При проведении испытаний 60% и 70% заявили, что используют устройства прямого сдвига и трехосные устройства соответственно. Обзор литературы показал, что указанные углы трения для плохо гранулированных материалов, испытанных с использованием устройств DS и TX (таблица 1).Несмотря на доступность обширных данных о прочности, которые демонстрируют углы трения, превышающие заданные по умолчанию 34 градуса для различных сыпучих материалов, проведенные с использованием всех видов устройств для испытаний на сдвиг, существует очень ограниченное количество данных о крупногабаритных агрегатах с узкой градацией, таких как AASHTO Агрегаты M43 (например, OGA). Было обнаружено три исследования, в которых изучались материалы, близкие к агрегатам № 7, № 56 и № 57. ^(50,51,52)

Для примерного агрегата № 7 разница между стандартными тестами DS и TX составила около 7 градусов; результаты TX были на 15 процентов меньше, чем результаты DS (таблица 1).Для приблизительного агрегата № 56 разница была значительно больше между двумя типами тестов: TX на 25 градусов, или 33 процента, ниже, чем DS. Исследователь признал, что в большинстве опубликованных в литературе работ разница в углах трения намного меньше, но исследователь пришел к выводу, что такие отчеты не действительны для испытанного песчаника Бремангер. ⁽⁵¹⁾

Два исследователя сообщили об углах трения для агрегата № 57; однако оба были сосредоточены на тестировании TX или DS, без сравнения.

Ограниченные исследования действительно показывают сравнение значений ϕ ‘ из тестов TX и DS для OGA. Согласно таблице 1, максимальное значение составляет 33 процента, при этом значения TX ниже, чем DS; хотя и высокий, этот результат согласуется с результатами других исследований, показывающих, что углы трения TX ниже, чем DS, которые ниже, чем PS. (См. Ссылки с 53 по 56). Основываясь на компиляции различных исследований на песке, Kulhawy и Mayne (1990) представили взаимосвязь для испытаний на сжатие DS и TX, а также как функцию угла трения CV (уравнение 9). ⁽⁵⁷⁾

(9)

Это соотношение основано на песках и стандартных испытательных устройствах. Из-за отсутствия достаточной базы данных прочностных и напряженно-деформационных свойств агрегатов, обозначенных AASHTO M 43, отсутствуют какие-либо установленные отношения данных о прочности между состоянием PS (а также испытанием DS) и условием осесимметричного нагружения. тестов TX. Таким образом, нехватка таких данных — одна из главных мотиваций этой работы.

Таблица 1. Углы трения, указанные при испытаниях DS и TX.

Образец №	Засыпка Описание грунта	d макс (дюймы)	Метод испытаний	ϕ ‘(градусы) 1	Номер ссылки
1	Равномерно измельченный мелкий и средний песок	0.187	DS	43	58
2	Песок от мелкого до среднего с однородной фракцией	0,630	DS	41
3	Чистый промытый песок равномерного размера с небольшим количеством гравия	0.315	DS	46-53
4	Песок слабосернистый с гравием	–	TX	38	59
5	Непластичный песок плохой сортировки	–	TX	38
6	Песок слабосернистый	–	DS	36.4	48
7	Песок слабосернистый	–	DS	38,5
8	Песок слабосернистый	–	DS	39,2
9	Песок слабосернистый	–	DS	40.9
10	Песок слабосернистый	–	DS	41,5
11	Песок слабосернистый	–	DS	42,4
12	Прочный песчаник	12.00	DS	43	60
			(квадрат, 5 футов)	(ограниченное давление 32 фунта на кв. Дюйм)
		0,75	DS	52,5
			(круглая, 0,5 фута)	(ограниченное давление 32 фунта на кв. Дюйм)
	Неразрывная илистая сланцевая порода	12.00	DS	44
			(квадрат, 5 футов)	(ограниченное давление 32 фунта на кв. Дюйм)
		0,75	DS	52,2
			(круглая, 0,5 футов)	(ограниченное давление 39 фунтов на кв. Дюйм)
13	Произведенный гранулированный материал	0.787	DS	44-45 (e o = 0,68-0,69)	61
				36-38 (e o = 0,8-0,83)
			TX	42-45 (e o = 0,68-0,69)
	Материал для засыпки	1,969	DS	51-55 (e o = 0.37)
				37-38 (e o = 0,56)
			TX	52-55 (e o = 0,37)
				48-49 (e o = 0,42)
	Материал для засыпки	3.937	DS	50-54 (e o = 0.42)
				38-39 (e o = 0,56)
14	Дацитовый материал (близкий к № 7)	1.476	TX	41	50
			DS	48,3
	Щебень и щебень песчаник	1.476	TX	50,1
			DS	56
15	Материал андезитовой засыпки	1,969	TX	39,9-57,8	24
16	Заполненный песчаник с плохой сортировкой (близок к №56)	–	TX	49,9	51
			DS	74,9
17	№ 57 (известняк) — низкая плотность	–	TX	53,5 (σ ‘ 3 = 4 фунта на кв. Дюйм)	52
				42.8 (σ ‘ 3 = 30,3 фунтов на кв. Дюйм)
	№ 57 (известняк) — высокая плотность			53,1 (σ ‘ 3 = 3,7 фунта на кв. Дюйм)
				44,1 (σ ‘ 3 = 30 фунтов на кв. Дюйм)
	№ 57 (Филлит) — Низкая плотность	–	TX	54.6 (σ ‘ 3 = 3,9 фунта на кв. Дюйм)
				51 (σ ‘ 3 = 9,7 фунтов на кв. Дюйм)
	№ 57 (Филлит) — высокая плотность			56,1 (σ ‘ 3 = 4 фунта на кв. Дюйм)
				52,8 (σ ‘ 3 = 9,8 фунтов на кв. Дюйм)
18	Щебень плотный №57	–	DS	49	62

¹ Если не указано для одного ограничивающего давления, ϕ ‘относится к касательному углу трения, полученному из диапазона разрушения Мора-Кулона.
DS = прямой сдвиг.
TX = трехосный.
— = Информация не предоставлена ​​

2.3 ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ КОНСТРУКЦИИ

Как обсуждалось ранее, прочность этих материалов является важным фактором при проектировании. Для OGA прочность в первую очередь определяется углом внутреннего трения (ϕ). Таким образом, выбор угла трения оказывает значительное влияние на проектирование геотехнических элементов. Он играет роль в коэффициентах давления грунта, используемых при определении бокового давления грунта.При проектировании подпорной стены коэффициент активного давления грунта ( K _a ) часто используется для условий разрушения (уравнение 10). Чем больше угол трения, тем ниже коэффициент и, следовательно, тем меньше боковое давление, которому необходимо противостоять при проектировании.

(10)

Угол внутреннего трения также важен при определении коэффициентов несущей способности (таблица 2), используемых в обычном уравнении для оценки номинального сопротивления подшипника, описанном Munfakh et al.(2001). ^(44,45) По мере увеличения значений коэффициентов несущей способности увеличивается также несущее сопротивление, уменьшая, таким образом, требуемый размер фундамента. В таблице 3 показано влияние использования более высоких углов трения на K _a и коэффициенты несущей способности, N _c , N _q и N _ϒ . Разница между 34 градусами и 45 градусами в K _a составляет 1,6; разница в сопротивлении подшипников еще выше.Более экономичные конструкции могут быть реализованы за счет использования фактических прочностных свойств OGA вместо установки по умолчанию на 34 градуса.

Таблица 2. Коэффициенты несущей способности. ⁽⁴⁴⁾

ϕ	N c	N q	N ϒ	ϕ	N c	N q	N ϒ
0	5.14	1,0	0,0	23	18,1	8,7	8,2
1	5,4	1,1	0,1	24	19.3	9,6	9,4
2	5,6	1,2	0,2 ​​	25	20,7	10,7	10,9
3	5.9	1,3	0,2 ​​	26	22,3	11,9	12,5
4	6,2	1,4	0,3	27	23.9	13,2	14,5
5	6,5	1,6	0,5	28	25,8	14,7	16,7
6	6.8	1,7	0,6	29	27,9	16,4	19,3
7	7,2	1,9	0,7	30	30.1	18,4	22,4
8	7,5	2,1	0,9	31	32,7	20,6	26,0
9	7.9	2,3	1,0	32	35,5	23,2	30,2
10	8,4	2,5	1,2	33	38.6	26,1	35,2
11	8,8	2,7	1,4	34	42,2	29,4	41,1
12	9.3	3,0	1,7	35	46,1	33,3	48,0
13	9,8	3,3	2,0	36	50.6	37,8	56,3
14	10,4	3,6	2,3	37	55,6	42,9	66,2
15	11.0	3,9	2,7	38	61,4	48,9	78,0
16	11,6	4,3	3,1	39	67.9	56,0	92,3
17	12,3	4,8	3,5	40	75,3	64,2	109,4
18	13.1	5,3	4,1	41	83,9	73,9	130,2
19	13,9	5,8	4,7	42	93.7	85,4	155,6
20	14,8	6,4	5,4	43	105,1	99,0	186,5
21	15.8	7,1	6,2	44	118,4	115,3	224,6
22	16,9	7,8	7,1	45	133.9	134,9	271,8

Таблица 3. Влияние угла трения на геотехнические константы при проектировании.

ϕ	К	N c	N q	N ϒ
34	0.282	42,2	29,4	41,1
40	0,217	75,3	64,2	109,4
45	0,171	133.9	134,9	271,8

Таблица сцепления почвы | Технический справочник и онлайн-инструменты

Связанные ресурсы: гражданское строительство

Стол сцепления почвы

Ресурсы гражданского строительства и проектирования

Сплоченность грунта — это составляющая прочности породы или грунта на сдвиг, не зависящая от трения между частицами.В почвах истинное сцепление вызывается следующими причинами: Электростатические силы в жестких переуплотненных глинах (которые могут быть потеряны в результате выветривания)

Типичные значения сцепления грунта для разных грунтов

Сплоченность почвы сильно зависит от консистенции, упаковки и состояния насыщения. Приведенные ниже значения соответствуют нормальному консолидированному состоянию, если не указано иное. Эти значения следует использовать только как ориентир для геотехнических проблем; однако для правильного выбора геотехнических параметров часто необходимо учитывать конкретное состояние каждой инженерной проблемы.

Описание	Сплоченность [кПа]
	мин.	макс	Номинал
Гравий с хорошей сортировкой, песчаный гравий с небольшим количеством мелких частиц или без них	–	–	0
Гравий с плохой сортировкой, песчаный гравий, с небольшими или нулевыми мелкими частицами	–	–	0
илистый гравий, илистый песчаный гравий	–	–	0
Глинистый гравий, глинистый песчаный гравий	–	–	20
Песок с хорошей сортировкой, гравийный песок, с небольшими или нулевыми мелкими частицами	–	–	0
Песок с плохой сортировкой, гравийный песок, с небольшими или нулевыми мелкими частицами	–	–	0
илистые пески	–	–	22
Пески илистые — насыщенные уплотненные	–	–	50
Пески илистые — уплотненные	–	–	20
Пески глинистые	–	–	5
Пески глинистые — уплотненные	–	–	74
Пески глинистые — насыщенные уплотненные	–	–	11
Песок супесчаный, супесчаный Суглинок уплотненный	50	75
Песок супесчаный, супесчаный Суглинок насыщенный	10	20
Глина песчано-алевритовая со слабопластичными мелкими частицами — уплотненная	–	–	50
Глина песчано-алевритовая со слабопластичными мелкими частицами — насыщенно-уплотненная	–	–	14
Илы неорганические, илистые или глинистые мелкие пески, с небольшой пластичностью	–	–	7
Илы неорганические и глинистые — уплотненные	–	–	67
Илы неорганические и глинистые — насыщенные уплотненные	–	–	9
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные	–	–	4
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные — уплотненные	–	–	86
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные — насыщенные уплотненные	–	–	13
Смесь неорганического ила и глины — уплотненная	–	–	65
Смесь неорганического ила и глины — насыщенно уплотненная	–	–	22
Илы органические и глины органические малопластичные	–	–	5
Илы неорганические высокой пластичности — уплотненные	–	–	10
Илы неорганические высокой пластичности — насыщенные уплотненные	–	–	72
Илы неорганические высокой пластичности	–	–	20
Глины неорганические высокой пластичности	–	–	25
Глины неорганические высокой пластичности — уплотненные	–	–	103
Глины неорганические высокой пластичности — насыщенные уплотненные	–	–	11
Глины органические высокой пластичности	–	–	10
Суглинок уплотненный	60	90
Суглинок — насыщенный	10	20
Илистый суглинок уплотненный	60	90
Илистый суглинок — насыщенный	10	20
Суглинок, илистый суглинок — Compaced	60	105
Суглинок, илистый суглинок — Насыщенный	10	20
Глина илистая, глина уплотненная	90	105
Глина илистая, глина насыщенная	10	20
Торф и другие высокоорганические почвы	–	–

Список литературы

• Швейцарский стандарт SN 670 010b, Характеристические коэффициенты почв, Ассоциация швейцарских дорожных инженеров и дорожных инженеров
• Министерство транспорта Миннесоты, Дизайн дорожного покрытия, 2007
• Руководство по проектированию NAVFAC 7.2 — Фундаменты и земляные сооружения, SN 0525-LP-300-7071, ПЕРВЫЙ ПЕРВЫЙ ИЗМЕНЕНИЕМ 1 СЕНТЯБРЯ 1986 г.

© Copyright 2000-2021, Engineers Edge, LLC www.engineersedge.com
Все права защищены
Отказ от ответственности | Обратная связь | Реклама | Контакты

Дата / Время:

Оценка сопротивления недренированному сдвигу мелкозернистых грунтов по сопротивлению конусности проникновению

Фактор конуса исследуемых типов грунта

Эмпирический фактор конуса N _к определяется здесь как ( q _c — σ′σ ‘ _v ) / S _{u Коэффициент} был рассчитан для различных почв, и основные статистические данные приведены в таблице 3.

Таблица 3 Данные статистического анализа коэффициента конуса N _k для разных почв

Среднее N _к значений варьировались от 35,1 до 55,6 для всех почв, которые попадают в диапазон значений, указанных Sanglerat [19]. Эти средние N _{к Значения} намного выше, чем указано в Таблице 1 для нормально консолидированных мягких и плотных насыщенных мелкозернистых грунтов, но намного ниже, чем 89.3, найденное Гебреселассие [20] для четвертичной глины и глиняного камня на юге Германии. Получается, что низкий N _{к Значения} , приведенные в других местах, относятся к полностью насыщенным и нормально консолидированным образцам мелкозернистого грунта. Модель N _{к Полученные значения} полностью согласуются и подтверждают цифру 35, приведенную Исмаилом и Зейном [21] для суданских высокопластичных глинистых и илистых почв.Также среднее N _{к Значения} для низкопластичных почв выгодно отличаются от значений, сообщенных Хассаном [17] для аналогичных почв.

Как правило, для большинства типов почв, рассмотренных в данном исследовании, N _к значений были выше, чем в некоторых других странах. Помимо различий в характере, методах испытаний и геологической истории высший N _{к Значения} могут быть отнесены к преобладающим на месте условиям, когда почвы были испытаны.Как указывалось ранее, большинство образцов почвы, рассмотренных в этом исследовании, находились в естественно ненасыщенном состоянии. В ненасыщенных почвах обычно возникают всасывающие напряжения, величина которых зависит от их влажностного состояния. Хорошо известно, что чем выше степень всасывания почвы, тем выше будут значения прочности на сдвиг и сопротивления конусу. Поэтому сравнивать N сложно. _к значений ненасыщенных почв по сравнению с рассчитанными для насыщенных почв.

Кроме того, N _{к Значение} связных грунтов, по-видимому, зависит от жесткости, которую можно приблизительно оценить с точки зрения сопротивления грунта проникновению конуса, измеренного во время испытаний CPT. Чтобы исследовать, как ( q _c — σ′σ ‘ _v ) значение может повлиять на N _к значений из почвенной базы данных были произвольно сгруппированы в две категории с ( q _c — σ′σ ‘ _v ) значения ниже и выше 5 МПа.Сравнение простых статистических данных N _{к Значения} , относящиеся к двум группам почв, приведены в таблице 4.

Таблица 4 Вариация N _k с измеренными ( q _c — σ _vo ) значения

Разница 25.3 в значениях среднего N _к , относящиеся к почвенным группам нижнего и верхнего ( q _c — σ′v ) диапазонов. Для большинства почв с ( q _c — σ′σ ‘ _v ) ≤ 5 МПа N _{к Значения} хорошо сопоставимы с теми, которые были предложены в некоторых предыдущих исследованиях (Таблица 1) для мягких и твердых насыщенных глин.Также есть хорошее соответствие между N _к значений получено для почв с ( q _c — σ′σ ‘ _v )> 5 МПа и выявленные для аналогичных почв в Судане [17] и Нигерии [22]. Исключительно высокий N _{к Значения} были указаны в нескольких образцах очень жестких или твердых глинистых и илистых грунтов.Считается, что эти образцы подверглись сильным нарушениям, вызванным их высокой устойчивостью к проникновению в пробоотборную трубку, что привело к значительному снижению прочности на сдвиг и, таким образом, получению очень высоких значений N . _к ценностей.

Корреляция

S _u и ( q _c — σ′σ ‘ _v ) для суданских почв

Прямая связь

Было предпринято несколько попыток установить прямую связь между S _u и ( q _c — σ′σ ‘ _v ) на основе анализа базы данных, относящейся ко всем образцам почвы, но безуспешно.Никаких значимых тенденций взаимосвязи не наблюдалось, когда две переменные были построены относительно друг друга, а разброс точек данных был очень значительным. Это указывает на то, что нельзя установить простую корреляцию между ( q _c — σ′σ ‘ _v ) и S _u для всех типов почвы и условий, так как на взаимосвязь влияет несколько факторов, таких как методология тестирования, тип почвы и история напряжений [6].Этот результат подтверждает вывод предыдущих исследований о том, что эмпирический фактор конуса N _к — непростая константа, но она значительно варьируется от сайта к сайту.

Косвенные отношения

Как предполагается в некоторых исследованиях [7, 8], косвенные отношения могут быть установлены между S _u и ( q _c — σ′σ ‘ _v ) путем включения индекса пластичности PI и коэффициента переуплотнения ( OCR ) в качестве параметров, указывающих на тип грунта и историю напряжений.Возможность разработки надежной корреляции S _u и ( q _c — σ′σ ‘ _v ), основанный на обоих параметрах, был исследован для суданских почв, как описано ниже.

Связь между N _к и PI

Чтобы исследовать, что существует надежная связь, как утверждали некоторые предыдущие авторы, между фактором конуса N _к и индекс пластичности PI , две переменные были нанесены друг на друга для всех типов почв, как показано на рис.4. Как можно заметить из этого рисунка, разброс данных настолько велик, что N _{к Значения} широко варьировались от менее 10 до более 100 для почв с равным PI . Это указывает на то, что для протестированных суданских почв невозможно разработать корреляцию, позволяющую оценить N . _к из PI .

Фиг.4

Коэффициент конуса Н _к в зависимости от индекса пластичности PI для суданских почв

S _u — ( q _c — σ′v ) Отношения на основе OCR

Изучить влияние OCR на S _u — ( q _c — σ′σ ‘ _v ), база данных по почвам была сначала разделена на подгруппы глин и илов, чтобы учесть изменчивость типов при анализе.Kulhawy и Mayne [23] указали, что нормализация S _u значений до σ′σ ‘ _v обеспечивает форму, которая зависит от режима и зависит от начального напряженного состояния, скорости деформации, направления нагрузки, степени растрескивания и других факторов. Для анализа проникновения недренированного конуса ( q _c — σ′σ ‘ _v ) часто связана с недренированной прочностью S _u через коэффициент N _к и, следовательно, значения ( q _c — σ′σ ‘ _v ) и S _u приведено к эффективному давлению покрывающих пород σ΄ _v могут быть связаны таким же образом.Значения ( q _c — σ′σ ‘ _v ) также нормировались на σ΄ _v иметь безразмерный параметр, аналогичный S _u / σ′σ ‘ _{v Соотношение} .

Различные подходы к анализу базы данных были предприняты для разработки подходящей математической модели на основе OCR почвы, которая описывает корреляцию нормализованных ( q _c — σ′σ ‘ _v ) и S _u . {\ prime} _ {v}}}} \ right) + B $$

(10)

A и B — константы, зависящие от типа почвы.Данные, относящиеся к математическим терминам в формуле. (10) были построены, как показано на рис. 5, 6 и 7, чтобы определить константы A и B, которые представляют наклон и пересечение по оси Y линий наилучшего соответствия для глинистых почв, илистых почв и всех почв соответственно.

Рис. 5

Взаимосвязь нормализованного чистого сопротивления конуса и недренированной прочности для глинистых грунтов

Рис. 6

Взаимосвязь нормированного чистого конусного сопротивления и недренированной прочности илистых грунтов

Фиг.{\ prime} _ {v}}}} \ right) + 8.1 $$

(12)

Добросовестность вышеперечисленных соотношений оценивалась по коэффициенту детерминации ( R ² ), полученное в результате регрессионного анализа. R ² значения 0,79 и 0,81 были получены для глинистых и илистых почв соответственно.{\ prime} _ {v}}}} \ right) + 20.94 $$

(13)

Нормализация S _u и ( q _c — σ′σ ‘ _v ) до σ′v привело к лучшему согласованию параметров почвы, на что указывает довольно высокий R ² значений, полученных на основе анализа базы данных.Очень низкий R ² значений (<0,35) были получены при анализе базы данных без нормализации.

Таким образом, результаты исследования показывают, что можно установить надежную взаимосвязь между недренированной прочностью на сдвиг и параметрами чистого конусного сопротивления, если при анализе учитываются тип грунта и влияние истории напряжений.