Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса




Скачать 1.38 Mb.
Название Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса
страница 1/12
Дата публикации 02.10.2014
Размер 1.38 Mb.
Тип Документы
literature-edu.ru > Инжиниринг > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
ВВЕДЕНИЕ

Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса «Сопротивления материалов». Механика грунтов является одним из составных разделов геомеханики, в основу которой положены, с одной стороны, законы теоретической механики – механики абсолютно твердого тела, а с другой – законы строительной механики – упругости, пластичности, ползучести. Но знание закономерностей теоретической механики и строительной механики для механики грунтов как науки необходимо, но недостаточно. К этим закономерностям нужно добавить зависимости, вытекающие из особенностей работы грунтов под нагрузкой: сжимаемость, водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость грунтов. Необходимо также знание основных разделов высшей математики и физики, инженерной геологии, гидравлики и других инженерных дисциплин.

В механике грунтов рассматриваются закономерности работы под нагрузкой рыхлых горных пород коры выветривания литосферы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, органогенные и техногенные грунты), прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных частиц. Грунты основания обычно обладают в сотни раз меньшей прочностью и иногда в тысячу раз большей деформируемостью, чем материалы, из которых возводятся здания и сооружения. Поэтому неправильная оценка физико-механических свойств грунтов и их напластования может привести к большим деформациям конструкций сооружения, а иногда и к их разрушению.

Одним из ярких классических примеров, демонстрирующих негативное влияние неравномерной деформации грунтового основания, является развитие крена и осадки знаменитой Пизанской «падающей башни» (Италия). Высота башни составляет 54.5 м. Уже во время строительства были замечены большие осадки и крен башни. К моменту окончания строительства (1273 г) отклонение верха башни от вертикальной оси составило 2.1 м. а к настоящему времени превысило 5.5 м. Основная причина неравномерных осадок – неоднородность грунтов основания.

Основными задачами, решаемыми в процессе изучения курса, являются: установление основных закономерностей механики грунтов и обобщение их в виде законов; изучение распределения напряжений в грунтовом массиве при действии различных нагружающих факторов; исследование прочности оснований и грунтовых массивов с использованием теории предельного равновесия; изучение методов расчета осадок оснований фундаментов, в том числе в условиях незавершенной консолидации грунтов, слагающих основание.

Целью курсового проектирования по этой дисциплине является закрепление студентами полученных теоретических знаний. Тематика проектирования отвечает учебным задачам подготовки инженеров и увязана с решением практических вопросов обработки результатов испытаний грунтов и проектирования фундаментов мелкого заложения.

При выполнении курсового проекта студент должен научиться пользоваться строительными нормами, ГОСТами, типовыми проектами, каталогами изделий для выполнения фундаментов, а также учебной, справочной и научной литературой; в проекте должны найти отражение требования стандартов единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Краткий исторический обзор

До ХVI века «теории» строительства не существовало, строили полагаясь на опыт. Размеры фундамента выбирали в зависимости от прочности грунтов оснований. В конце XVIII века появилась первая теория, рассматривающая сопротивление грунта сдвигу.

В 1773 г. француз Ш. Кулон – разработал способ расчета давления сползающего грунта на подпорную стенку (строительство фортификационных сооружений на юге Франции). Данное исследование Кулона (Франция, 1773) по теории прочности сыпучих тел известно в современной механике как закон Кулона-Мора.

Академик Фусс (Россия, 1801) и инженер Винклер (Франция, 1867) предложили механические модели грунтового основания для расчета конструкций, взаимодействующих с грунтовой средой. Закономерности фильтрационных процессов в песчаных грунтах были впервые установлены Дарси (Франция, 1856) и обобщены в современной механике как закон ламинарной фильтрации Дарси. Труд профессора Буссинеска (Франция, 1885) «О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы» до настоящего времени изучается в курсе механики грунтов и является основополагающим в теории распределения напряжений в грунтовой среде. Механика грунтов как самостоятельная дисциплина возникла с момента опубликования монографии профессора Терцаги (Германия, 1925) «Строительная механика грунтов». Именно ему принадлежит установление основополагающей в теории расчета осадок зависимости, известной как закон уплотнения Терцаги.

На базе этих и последующих исследований в 30х годах ХХ века была создана наука механика грунтов. Одновременно стала развиваться и вторая часть (прикладная) – основания и фундаменты.

Существенное развитие механика грунтов получила в работах ученых русской школы: Пузыревский (1923), Герсеванов (1931), Флорин (1936), Соколовский (1942), Егоров (1948), Березанцев (1948). Первый курс лекций по механике грунтов был подготовлен в СССР профессором Цытовичем (1934).

Достижения ученых в области механики грунтов отражены в работах Швеца В.Б., Гольдштейна М.Н., Клепикова С.Н. и других.

1.2. Грунт как объект исследования

Грунтами называют любые горные породы, которые в инженерно-строительной деятельности человека используются в качестве оснований сооружений, среды, в которой сооружения возводятся, или материала для сооружений.

По своему происхождению и условиям формирования грунты разделяются на континентальные и морские отложения.

К континентальным отложениям относятся: элювиальные, делювиальные, аллювиальные, ледниковые, водно-ледниковые – пески и галечники; озерно-ледниковые – ленточные глины, суглинки и супеси; эоловые, которые представляют собой продукты физического выветривания горных пород пустынных областей, переносимые воздушными течениями - лессовые грунты и пески дюн и барханов.

Элювиальные отложения залегают в месте первоначального их возникновения. Делювиальные отложения располагаются на склонах той же возвышенности, где они возникли, и перемещаются только под действием силы тяжести и атмосферных вод.

Аллювиальные отложения переносятся водными потоками на значительные расстояния и образуют мощные слоистые толщи.

Ледниковые отложения образовались в результате действия ледников – валунные глины и суглинки (морены).

К морским отложениям относятся толщи дисперсных глин, органогенных грунтов ракушечников, органо-минеральные образования – илы, заторфованные грунты, различные пески и галечники.

По своему происхождению грунты подразделяются на:

  • магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;

  • осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и нескальные грунты;

  • метаморфические, которые образовались в результате действия на метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших давлений; они классифицируются как скальные грунты.

Грунты подразделяются на два класса: скальные (грунты с прочными связями) и нескальные (грунты без прочных связей).

Под прочными связями следует понимать такие, прочность которых сопоставима с прочностью отдельных минеральных частиц.

В соответствии со строительной классификацией грунты подразделяются
на скальные, крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые. Скальные
грунты детально изучаются в связи со строительством подземных горных
выработок в курсе «Механика горных пород». В механике грунтов предметом
исследований являются последние три вида грунтов. Нескальные грунты образовались в результате длительного физического и химического выветриваний прочных осадочных скальных пород, вызвавших их разрушение. При этом крупнообломочные и песчаные грунты объединяются в группу несвязных или сыпучих грунтов, а пылевато-глинистые грунты рассматриваются как связные.

Грунты чаще всего являются наиболее «молодыми» осадочными отложениями и относятся к четвертичной геологической системе.

Грунты образуются из:

- первичных минералов (кварц, полевые шпаты, слюда и др.);

- вторичных глинистых минералов (монтмориллонит, каоли­нит), образовавшихся в процессе выветривания горных пород;

  • солей (сульфатов, карбонатов);

  • органических веществ.

При рассмотрении свойств грунтов следует различать их крайние разновидности – грунты типа песков и грунты типа глин. Между песками и глинами существуют промежуточные разновидности грунтов – супеси, суглинки. Свойства грунтов этих разновидностей зависят от содержания в их составе песчаных и глинистых частиц.

Крупнообломочные частицы имеют размер крупнее 2 мм, песчаные -от 2 мм до 0,05 мм, пылеватые от 0,05 мм до ,0,005 мм глинистые менее 0,005 мм; частицы мельче 0,0001 мм называются коллоидными.

Песчаные частицы имеют удельную поверхность до 0,05 м2/г. Глинистые частицы имеют удельную поверхность у каолинита до 10 м2/г и у монтмориллонита до 800 м2/г.

С позиций общей механики грунт (рис. 1) представляет собой сложную термодинамическую систему, которая по принятой классификации является многофазной и неоднородной.



В составе объема грунта присутствуют вещества в трех фазовых состояниях: минеральные частицы (твердая фаза); грунтовая вода (жидкая фаза); газ и пар (газообразная фаза). Минеральные частицы могут иметь размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это порождает большое разнообразие видов грунта, существенно отличающихся своими свойствами. Пространство между минеральными частицами, заполненное водой, газом или паром, называют порами. Давление в порах называют поровым давлением. Оно может относиться исключительно к воде, если все поры заполнены водой, исключительно к газу при отсутствии воды в порах или к поверхности раздела фаз «вода - газ (пар)». Газ и пар могут также содержаться в пузырьках или в растворенном (газ) в воде виде. Систему минеральных частиц, составляющих грунт, называют его скелетом. Между минеральными частицами грунта могут существовать цементационные или коллоидные связи, прочность которых определяет степень связности грунта. Природа этих связей, называемых структурными, как и любых связей в твердом теле, электрическая. Микроскопические свойства грунта, включая взаимодействия составляющих его компонентов на молекулярном уровне, изучаются в курсе «Грунтоведение». Если напряжения в скелете грунта не превышают прочности связей между минеральными частицами (эта прочность называется структурной), скелет деформируется упруго. Напряжения в скелете в общем случае не совпадают с поровым давлением. Сопротивление грунта нагружению определяется суммой напряжений в скелете и порового давления.

В зависимости от температуры и давления компоненты, составляющие грунт, могут претерпевать процессы фазовых переходов. Например, при низких температурах грунтовая вода может частично переходить в лед (твердая фаза). При извлечении образца грунта с большой глубины происходит его упругое расширение в связи с уменьшением напряжений на поверхности выделенного объема до нуля. Расширение грунта может привести к отрицательному (по сравнению с атмосферным) значению порового давления. В результате этого могут протекать процессы газовыделения из поровой воды и превращения части поровой воды в пар (парообразование). Наоборот, при повышении порового давления могут наблюдаться процессы газорастворения и конденсации пара. Эти процессы существенно зависят от температуры и учитываются при расчетах гидротехнических сооружений.

Грунт является открытой термодинамической системой в отношении процессов массопереноса (воды или минеральных частиц). Явление массопереноса в форме движения поровой воды учитывается в теории фильтрационной консолидации грунтов (выдавливание воды из пор при уменьшении их объема под действием нагрузки). Явление массопереноса в форме перемещения минеральных частиц грунта учитывается при изучении суффозионных процессов в грунтах (вымыв из грунта компонентов скелета под воздействием фильтрационного потока). Минеральные частицы специфических грунтов, а также связи между ними могут состоять из растворимых солей. В этом случае миграция поровой воды может приводить к химической суффозии (растворение и перенос вещества в растворенном виде). Присутствие в поровой воде растворов солей, кислот и щелочей делает ее агрессивной по отношению к конструкциям фундаментов.

Отмеченные здесь особенности поведения грунтов при изменении давлений и температуры изучаются в специальных разделах механики грунтов. Классическая механика грунтов основана на ряде следующих допущений:

а) грунт деформируется как квазиоднородное упругое тело, если
напряжения в скелете грунта не превышают его структурную прочность;

б) поровая вода является несжимаемой;

в) присутствие в порах газа и пара не оказывает существенного влияния на
процесс деформирования грунта;

г) сжимаемость минеральных частиц грунта пренебрежимо мала;

д) деформируемость грунта под нагрузкой обусловлена, в основном,
переупаковкой скелета после разрушения структурных связей, приводящей к
изменению объема пор.

Под структурой грунта понимается размер, форма и коли­чественное (процентное) соотношение слагающих грунт частиц.

Под текстурой грунта понимается пространственное располо­жение элементов грунта с разными составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте залегания. Текстура бывает массивной, слоистой и сетчатой.

Например, в озерах ледникового периода образовывались пылевато-глинистые отложения с характерной слоистой текстурой. Они представляют собой чередующиеся тонкие слои из глинистых частиц, выпадавших в зимний период подо льдом, и из пылеватых песчаных частиц, оседавших в теплый период года.

Различают слоистую, слитную и сложную текстуру: слоистая — наиболее распространенный вид сложения грунтов, характерный для морских, озерных и других отложений; слитная присуща морским отложениям, имеющим однородное сложение в различных точках массива; сложная — порфировая, ячеистая, макропористая и др. (порфировой текстурой обладают моренные суглинки; ячеистая текстура характерна для вечномерзлых грунтов, имеющих вертикальные и горизонтальные полости, заполненные льдом, макропористую текстуру имеют лессовые грунты).

Структурные междучастичные связи в грунтах можно подразделить на жесткие (кристаллизационные) и пластичные, вязкие связи (водно-коллоидные). Жесткие связи более характерны для скальных грунтов, пластичные связи - глав­ным образом для глинистых грунтов.

Жесткие связи могут быть растворимыми в воде или нераство­римыми. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водно-коллоидные связи.

Грунты могут служить:

- основанием зданий и сооружений;

- средой для размещения в них сооружений, (труб, подземных сооружений, тоннелей, станций метрополитена и др.);

- материалом для сооружений (насыпи, земляные плотины, сырье для изготовления стройматериалов).

1.3. Основные характеристики грунта, определяющие его свойства

В данном разделе содержатся теоретические обобщения сведений о свойствах грунтов, приведенных в курсе «Инженерные изыскания в строительстве». Различают физические, прочностные и деформационные характеристики грунта. Физические характеристики подразделяются на основные, производные и классификационные. Основными являются характеристики, определяемые из опыта. Остальные физические характеристики являются расчетными.

Физические свойства грунта. Удельным (ранее объемным) весом грунта γ называется отношение полного веса образца грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [кН/м3].

Удельным весом сухого грунта γd называется отношение веса высушенного грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор.

Удельным весом частиц грунта γs (ранее назывался, удельным весом грунта) называется отношение веса частиц грунта к объему, который они занимают. Размерность [кН/м3].

Таблица 1

Основные физические характеристики грунта

Наименование

Обозначение

Размерность

Формула для вычисления

Плотность грунта

ρ

кг/м3

ρ = G/ V

Удельный вес грунта

γ

Кн/м3

γ = ρ·g

Плотность частиц грунта

ρs

кг/м3

ρs = Gs/ Vs

Удельный вес частиц грунта

γs

Кн/м3

γs = ps ·g

Влажность грунта

W

безразмерна

W = (G – Gs)/ Gs = Gw / Gs

Влажность на границе пластичности

Wp

безразмерна

Wp = Gw,p / Gs

Влажность на границе текучести

Wl

безразмерна

Wl = Gw,l / Gs


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

W = (γ – γd)/ γd. (1)

Пористостью п грунта называется отношение объема пор полному объему образца грунта. Коэффициентом пористости е или относительной пористостью называется отношение объема пор образце к объему, занимаемому его твердыми частицами - скелетов то есть:

e = n/(1– n) (2)

Теоретически пористость п изменяется в пределах от нуля (поры отсутствуют) до единицы (скелет отсутствует). Соответственно коэффициент пористости е изменяется от нуля (поры отсутствуют) до бесконечности (скелет отсутствует). Пористость не может быть больше единицы, в то время как коэффициент пористости может быть больше единицы (например, у лессов, торфа). Коэффициент пористости равен единице, если объем пор равен объему, занятому твердыми частицами.

Удельный вес грунта γ зависит от удельного веса частиц грун­та γs, его пористости п и влажности W.

Удельный вес частиц грунта γs зависит от минералогического состава скелета грунта и степени их дисперсности. У глин он больше, чем у песка при одних и тех же образующих грунт ми­нералах. В глинистом грунте поверхность частиц намного больше, чем в песчаном, поэтому и большая возможность окисления и проявления поверхностных явлений. Удельный вес частиц грунта γs, от его пористости п не зависит.

Таблица 2

Производные физические характеристики грунта

Наименование

Обозначение

Размерность

Формула для вычисления

Плотность сухого грунта

pd

кг/м3

pd = Gs / V = p / (1+W)

Удельный вес сухого грунта

γd

кг/м3

γd = pd · g = γ / (1+W)

Коэффициент пористости

e

безразмерна

e = Vn / Vs = (ps - pd) / pd = ps / pd - 1

Пористость

n

безразмерна

n = Vn / V = (ps - pd) / ps = 1 - pd / ps


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

Sr = W/ WSat (3)

Грунты называются:

- маловлажными при Sr <0,5;

- влажными при 0,5< Sr <0,8;

- насыщенными водой при Sr > 0,8.

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

Механические свойства грунта. В закономерностях механики грунтов используются количественные показатели механических свойств различных грунтов, получаемые экспериментальным путем.

Образцы грунта для проведения экспериментальных исследований не могут быть изготовлены в лаборатории искусственно, т.к. невозможно воспроизвести природные тела, созданные многовековой историей их образования и существования. Поэтому испытания проводят на образцах грунта, тщательно отобранных в полевых условиях, т.е. стараются сохранить природную структуру, пористость, влажность, взаиморасположение частиц (на образцах ненарушенной структуры). Исключение составляют исследования грунтов как строительных материалов для земляных сооружений. В этих случаях испытания проводятся на образцах нарушенной структуры, соответствующей фактическому состоянию грунта в земляном сооружении.

При исследовании влияния внешних воздействий на грунты как сложные минеральнодисперсные пористые тела выявлены следующие особенности их поведения под нагрузкой:

  1. изменение пористости, а, следовательно, и водопроницаемости грунта под действием внешнего давления;

  1. ухудшение водопроницаемости из-за наличия в тонкодисперсных грунтах прочно- и рыхлосвязанной воды;

  2. незначительная деформируемость самих грунтовых частиц по сравнению с деформируемостью пор.

Первые две особенности значительно осложняют расчеты, а пренебрежение ими придает практическим расчетам некоторую условность.

Деформируемостью грунтовых частиц при расчетах можно пренебречь.

Таблица 3

Основные закономерности механики грунтов, описывающие механические свойства

Свойство

Закономерность

Показатели

Практические приложения

Сжимаемость

Закон уплотнения

Коэффициент сжимаемости mo

Расчет осадок фундаментов

Водопрони-цаемость

Закон ламинарной фильтрации

Коэффициент фильтрации Кф

Прогноз скорости осадок водонасы-щенных грунтовых оснований

Контактная сопротив-ляемость сдвигу

Предельное сопротивление сдвигу. Условие прочности

Коэффициент внутреннего трения φ и сцепление С

Расчеты предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения

Структурно-фазовая деформи-руемость

Принцип общей и линейной деформируемости

Модули деформируемости

Е, Ео

Определение напряжений и деформаций грунтов
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon 1. матрицы и действия над ними
Методические указания предназначены для студентов I курса всех специальностей и всех форм обучения и для преподавателей кафедры высшей...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Специальная психология
Программа курса предназначена для студентов психологических специальностей. Изучение дисциплины позволит студентам взглянуть на развитие...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Республики Беларусь Учреждение образования «белорусский государственный...
Конспект лекций по курсу «Основы алгоритмизации и программирования» для студентов всех специальностей и всех форм обучения. Мн.:...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Методические указания к проведению практических занятий для студентов...
Методические указания содержат контрольные вопросы и практические задания по основным темам курса «Бухгалтерский учет, анализ и аудит»...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Клиническая психотерапия
Книга предназначена для психотерапевтов, психиатров, врачей всех лечебных специальностей (включая врачей общей практики), медицинских...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Курс «Основы кибернетики» для студентов специализации 01. 02. 09....
Курс является обязательным для всех студентов, обучающихся по специальности 01. 02 – прикладная математика и информатика, а также...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Методические рекомендации по выполнению курсовой работы (для студентов всех форм обучения)
Студентами техникума очного и заочного отделений всех специальностей выполняются курсовые работы по нескольким дисциплинам. Это вызывает...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Целями освоения модуля «История образования и педагогической мысли» являются
История образования и педагогической мысли завершает цикл педагогических дисциплин теоретического цикла в профессиональном образовании...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Язык вместе со знанием явление общественное, социальное и к его изучению...
Определяющее значение для курса имеют труды Виноградова, который в ирля включает историю употребления разноуровневых языковых единиц...
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить со значением курса icon Учебное пособие по спецкурсу для студентов неэкономических специальностей Часть 1
Найденов Н. Д. Экономика и предпринимательство: Учебное по­собие по спецкурсу для студентов неэкономических специальностей. Часть...
Литература


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
literature-edu.ru
Поиск на сайте

Главная страница  Литература  Доклады  Рефераты  Курсовая работа  Лекции