«Г.Г. Болдырев М.В. Малышев МЕХАНИКА ГРУНТОВ. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ (В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ) Издание 4 е, переработанное и дополненное Пенза 2009 УДК 624.15.04(075.8) ББК 38.58я73 Б79 Рецензент – доктор технических наук, ...»

Сколько систем характеристик мы имеем в плоской задаче теории предельного равновесия?

Характеристики системы дифференциальных уравнений теории предельного равновесия сыпучей среды совпадают с линиями сколь жения. В плоской задаче мы имеем два семейства характеристик, следовательно, два семейства линий скольжения, вдоль которых выполняется условие n = n tg + с.

М.13.9. Каким образом решаются уравнения теории предельного равновесия сыпучей среды?

Уравнения теории предельного равновесия сыпучей среды в общем случае решаются численным способом, поскольку система эта не линейная (в условие предельного равновесия напряжения входят в квадрате). Лишь очень ограниченное количество задач может быть решено в конечном виде.

М.13.10*. Всем ли граничным условиям может удовлетворять система уравнений теории предельного равновесия сыпучей среды?

Нет, не всем. Не все граничные условия могут обеспечить такое напряженное состояние, при котором в каждой точке выполняется предельное условие. Поскольку основная система имеет второй порядок и произвольных функций интегрирования две (а в теории упругости их четыре), то этих двух функций "не хватает", чтобы система удовлетворяла любым граничным условиям.

М.13.11. Как ставятся конкретные задачи в теории предельного равновесия сыпучей среды?

Конкретные задачи ставятся следующим образом: на одной части границы области заданы напряжения по величине и по направлению.

Требуется отыскать величину (при заданном направлении действия) или направление (при заданной величине) напряжений на соседней части границы области, исходя из того, что в каждой точке области имеет место предельное состояние.

М.13.12*. Имеется ли единственность в постановке задач в теории предельного равновесия сыпучей среды и в теории упругости?

В теории предельного равновесия такой единственности нет, по скольку основным уравнением предельного равновесия является квад ратное уравнение относительно напряжений. Поэтому имеет место двойственность, и правильную постановку задачи подсказывают ре зультаты экспериментальных исследований. В теории упругости вся си стема линейная; поэтому имеет место единственность решения задач.

М.13.13. Какие простейшие задачи теории предельного равновесия сыпучей среды решаются в замкнутом виде?

Простейшие задачи, решаемые в теории предельного равновесия в замкнутом виде, это задачи об активном и пассивном давлениях грунта на подпорную стену при ее гладкой вертикальной поверхности, примыкающей к засыпке, и при горизонтальной поверхности грунта засыпки. Также решается задача о грунтовой трубе, находящейся в предельном состоянии под действием давления изнутри (или снаружи). Имеются еще некоторые задачи, но число их весьма ограничено.

М.13.14. Каким образом удельное сцепление в зоне простейшего на пряженного состояния влияет на боковые напряжения x при заданном напряжении x?

В зоне минимального напряженного состояния (зоне активного давления) величина x с ростом сцепления C уменьшается, а в зоне максимального напряженного состояния (зоне пассивного давления) величина x с ростом сцепления C увеличивается.

М.13.15*. Откуда произошло название зон с простейшим напря женным состоянием зоны минимально напряженного состояния и зоны максимально напряженного состояния?

Зона минимального напряженного состояния называется так по тому, что эллипс напряжений в нем имеет наименьшую ось горизон тальной и быть "тоньше" не может (при той же вертикальной оси). Зона максимального напряженного состояния имеет "лежачий" эллипс напряжений, и горизонтальная ось эллипса быть больше не может (при той же вертикальной оси). Таким образом, горизонтальная ось эллипса при неизменной вертикальной оси определяет эти названия.

М.13.16. В чем заключается постановка прямой и обратной задач теории предельного равновесия сыпучей среды?

В прямой задаче об основании задана нагрузка по величине и направлению и отыскивается величина пригрузки (при заданном направлении) или направление (при заданной величине). В обратной задаче об основании задана пригрузка (по величине и направлению) и отыскиваются величина нагрузки (при заданном ее направлении) или ее направление (при заданной величине). Таким образом, три условия всегда оказываются заданными, а одно – подлежит определению.

М.13.17*. Для чего нужна переходная зона между зонами с максимальным и минимальным напряженными состояниями в задачах теории предельного равновесия сыпучей среды?

Включение в рассмотрение переходной зоны (зона III на рис.М.12.11) позволяет получить непрерывность всех компонентов на пряжений при переходе из одной зоны в другую и плавный поворот осей эллипсов напряжений.

М.13.18*. Чем отличаются разрывное и неразрывное решение и какие компоненты напряжений претерпевают разрыв?

Разрывное и неразрывное решения задачи об основании дают резко различную величину несущей способности.

В этой задаче при переходе от зоны с минимальным напряженным состоянием к зоне с максимальным напряженным состоянием на границе зон претерпевает разрыв вертикальное напряжение z и напря жение x является непрерывным (в обеих зонах xz = 0).

Рис.М.13.18. Схема для определения предельной нагрузки на основание в предположении существования разрыва в напряжении z слева и справа от оси x= М.13.19. Какой вид имеет формула несущей способности по Пран дтлю и что получается, если среда не обладает трением (=0)?

Формула несущей способности p, кПа, по Прандтлю (в ней рас сматривается сыпучая среда) имеет следующий вид:

где q нагрузка, кПа.

При разрывном решении эта формула выглядит так:

Если среда не обладает трением, то из первой формулы получим (по Прандтлю):

а из второй – М.13.20*. Где располагается "особая точка" и каковы ее свойства?

"Особая точка" (cм.рис.М.13.18, точка 0) располагается в месте, где кончается нагрузка и начинается пригрузка, то есть имеет место скачок в величине усилий, приложенных на границе. Особая точка обладает тем свойством, что при подходе к ней по различным лучам мы получаем различие напряжений – от наибольшего (нагрузка) до наименьшего (пригрузка). Таким образом, в особой точке имеет место многозначность напряжений.

М.13.21. Нужны ли эксперименты для правильной постановки задачи с использованием основных уравнений теории предельного равновесия сыпучей среды?

Да, нужны не только для проверки получаемых величин напряже ний, как обычно, но и для постановки задачи, связанной с неоднознач ностью (двойственностью) решений теории предельного равновесия сыпучей среды.

М.13.22. Какие инженерные задачи рассматриваются в теории предельного равновесия сыпучей среды?

В теории предельного равновесия обычно рассматриваются следу ющие задачи (рис.М.13.22) с целью определения:

1) несущей способности основания (зависимости нагрузки от пригрузки или наоборот);

2) давления грунта на подпорную стенку активного и пассивного;

3) устойчивости откоса заданного очертания (необходимой при грузки сверху, обеспечивающей предельное состояние);

4) формы предельно устойчивого откоса;

5) формы свода обрушения связного грунта при подземной про ходке;

6) предельного давления в грунтовой трубе.

Рис.М.13.22. Задачи, решаемые по теории предельного равновесия сыпучей среды М.13.23. Какова предельная высота вертикального откоса? Как ее найти?

По теории предельного равновесия неподкрепленный верти кальный откос может иметь высоту h, не более:

где – удельный вес грунта.

Эта высота находится из условия, что в самой нижней точке такого откоса горизонтальное напряжение x = 0, а вертикальное z=h. Для решения задачи используется условие предельного равновесия (рис.М.13.23).

Рис.М.13.23. Эпюры давления грунта на гладкую верти кальную подпорную стену x и вертикального давления z М.13.24. Чему равен предельный угол наклона сыпучего откоса?

Предельный угол наклона сыпучего откоса равен углу внутреннего трения.

М.13.25. Какую форму имеет предельно устойчивый откос без пригрузки? Какие условия ставятся на его контуре?

На контуре отко са (рис.М.13.25) каса тельное напряжение n и нормальное на пряжение n должны быть равны нулю. Рис.М.13.25. Предельно устойчивый откос М.13.26. Что означает термин "отрицательная пригрузка" в задаче о несущей способности основания?

"Отрицательная пригрузка" означает, что для обеспечения пре дельного состояния во всех точках массива грунта необходимо приложить на границе не сжимающие, а растягивающие напряжения, то есть "тянуть вверх", что не реально. Поэтому не во всей области основания практически можно обеспечить предельное состояние.

М.14. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ ГРУНТОВ

НА ОГРАЖДЕНИЯ

М.14.1. С какой целью применяются подпорные стены?

Подпорные стены применяются для удержания грунтовых массивов от сползания в том случае, когда устройство искусственного откоса не возможно, а естественный склон необходимо удерживать от сползания.

М.14.2. Какие виды подпорных стен применяются в строительстве?

На рис. М.14.2 показаны некоторые из используемых конструкций подпорных стен. Массивные подпорные стены (рис. М.14.2, а) приме няются в настоящее время достаточно редко. Чаще используются облегченные железобетонные конструкции с консолью для пригруза грунтом обратной засыпки (рис. М.14.2, б). К конструкциям массив ного типа относятся также габионы (рис. М.14.2, в), которые представ ляют собой «коробки» из оцинкованной проволоки, заполненные крупным камнем. При устройстве глубоких котлованов применяются конструкции из металлического шпунта или конструкции вида «стена в грунте» с анкерным креплением (рис. М.14.2, г). С целью уменьшения активного давления на поверхность подпорных стен в грунт вводятся тонкие бетонные стержни (грунтовые гвозди) (рис. М.14.2, д) или грунт армируется синтетической сеткой (рис. М.14.2, е).

Рис.М.14.2. Различные виды подпорных стен М.14.3. Чем гравитационные подпорные стены отличаются от облег ченных гибких подпорных стен?

При использовании гравитационных подпорных стен (см.

рис.М.14.2) устойчивость на сдвиг обеспечивается их весом (весом материала стены и грунта, находящегося над подошвой стены), а горизонтальная составляющая давления земли воспринимается силой трения, развивающейся в плоскости подошвы стены. Облегченные гибкие стены заделываются в основание, и их устойчивость на сдвиг обеспечивается развитием пассивного отпора в нижней части, а также возможным наличием анкерной заделки в верхней части стены.

М.14.4. Какой вид имеет диаграмма давления на стену в зависимости от ее поступательного перемещения?

Диаграмма давления, возникающего между засыпкой и задней гранью стены, показана на рис.М.14.4.

Рис.М.14.3. Зависимость давления грунта на стенку Активное давление минимально возможное давление, пассивное максимально возможное давление.

М.14.5. Что называется активным давлением грунта на стену и когда оно проявляется?

Активным называется наименьшее из всех возможных для данной стенки давление на нее грунта, проявляющееся в том случае, если стенка имеет возможность переместиться в сторону от засыпки под действием давления грунта. Активное давление иногда называется распором (рис.М.14.5,а) Рис.М.14.5. Давление грунта на стенку:

а – активное; б – пассивное:

1 – положение до начала перемещения стенки; 2 – положение после перемещения стенки; 3 – направление перемещения стенки;

4 – направление движения грунта в призме обрушения М.14.6. Что называется пассивным давлением грунта на стену и когда оно проявляется?

Пассивным называется максимальное из всех возможных для дан ной стенки давление ее на грунт, проявляющееся в том случае, если стенка имеет возможность перемещаться в сторону засыпки под дейст вием внешних сил. Пассивное давление называется отпором (рис.М.14.5,б).

М.14.7. Что называется «давлением покоя» и когда оно проявляется?

Давлением покоя называется такое давление грунта на стену, которое соответствует нулевому ее перемещению, то есть это такое боковое давление, которое имеет место в массиве грунта, когда стены нет, а поверхность грунтового массива горизонтальна.

На рис. М.14.7 показаны круги Мора для напряженного состояния грунта в состоянии покоя и предельного напряженного состояния. В состоянии покоя в грунте отсутствуют деформации, а в предельном состоянии грунт движется с определенной скоростью деформации.

Если напряженное состояние в грунтовой массе находится ниже предельной прямой Мора – Кулона, то это соответствует состоянию упругого равновесия грунта, т.е. состоянию покоя.

В состоянии покоя коэффициент бокового давления o определяет ся как отношение горизонтальных напряжений x к вертикальным напряжениям z :

Рис. М.14.7. Напряженное состояние грунта в состоянии покоя и в предельном состоянии В случае наличия грунтовых вод в приведенном выражении полные напряжения заменяются эффективными напряжениями x и z. Зна чение o зависит от вида грунта, угла внутреннего трения и истории его нагружения, определяемой параметром OCR.

Для нормально уплотненных грунтов (OCR = 1) Jaky (1940) предло жил следующую зависимость:

где – предельный угол внутреннего трения.

Значение o возрастает до единицы и более для переуплотненных грунтов и зависит не только от угла внутреннего трения, но и от коэффициента переуплотнения OCR, может быть определено из выражения Максимальное значение o достигается в предельно напряженном состоянии на предельной прямой и равно: max = tg 2 (45° + / 2). В случае бокового расширения грунта – min = tg 2 (45° / 2).

М.14.8. Какие усилия действуют на подпорную стенку и как рассчитывается ее устойчивость?

На подпорную стенку действуют давление грунта и давление воды.

Если над засыпкой имеется пригрузка, то она создает дополнительное усилие, действующее на стенку. В расчете учитывается также вес стенки и лежащего непосредственно над ее подошвой грунта. В связи с заглублением стенки в грунт может быть учтено действующее с противоположной засыпке стороны пассивное давление (отпор), хотя это обстоятельство в запас устойчивости часто не учитывается. Если на стенку постоянно действуют усилия со стороны лицевой грани, то они также принимаются в расчет.

М.14.9. Каким образом из уравнения предельного равновесия получить эпюру давления грунта на гладкую подпорную стенку и действующее усилие? Показать двойственность решения.

Уравнение предельного равновесия, записанное в декартовых координатах, имеет вид Рассматривая простейшее напряженное состояние, соответствую щее гладкой (без трения) подпорной стенке и горизонтальной поверх ности засыпки, когда zx = 0, и извлекая корень из обеих частей этого уравнения, получаем:

то есть линейное уравнение относительно напряжений z и x.

Напряжение z полагается равным z. Находятся напряжения x, то есть ординаты эпюр давления грунта на подпорную стену.

М.14.10. Каким образом удельное сцепление в грунте влияет на величину активного и пассивного давлений на стену?

При одинаковом, не изменяющемся значении угла внутреннего трения с увеличением удельного сцепления в грунте c активное давление уменьшается, а пассивное – увеличивается.

М.14.11*. Каким образом наклон задней грани стены влияет на величину равнодействующей активного давления грунта на подпорную стенку?

Если задняя грань стенки имеет уклон в сторону засыпки, то давление увеличивается (рис.М.14.11,а), если в противоположную сто рону, уменьшается (рис.М.14.11,б).

Рис.М.14.11. Влияние наклона задней грани стенки на величину активного давления грунта на нее М.14.12*. Каким образом увеличение шероховатости задней грани влияет на величину равнодействующей активного давления грунта на подпорную стенку?

С ростом шероховатости поверхности стенки, как правило, активное давление уменьшается, а пассивное – увеличивается.

М.14.13. В чем суть предложений Кулона по расчету давления грунта на подпорную стену?

По Кулону, призма обрушения всегда ограничивается плоскостью (а не криволинейной поверхностью, как по теории предельного равновесия в общем случае). Далее разыскивается экстремальный случай (наклон этой плоскости) из условия максимума для активного давления и минимума для пассивного давления.

М.14.14. Какими конструктивными приемами при одинаковом объеме материала стенки можно увеличить ее общую устойчивость на сдвиг и опрокидывание?

1. Часть материала гравитационной стенки заменить грунтом, чтобы создать необходимый вес.

2. Устроить дренаж в засыпке.

3. Засыпку провести грунтом с возможно большим углом внутреннего трения.

4. Со стороны лицевой грани стенки сделать выступ – консоль (против опрокидывания).

5. Заднюю грань стенки наклонить, чтобы стенка лежала на грунте.

М.14.15. Какой вид имеет эпюра реактивных давлений под подошвой стенки и с помощью какого приема ее можно сделать более равномерной?

Для какой цели нужно иметь более равномерную эпюру реактивных давлений?

Эпюра реактивных давлений принимается линейной (трапеция). Более равномерной ее можно сделать, увеличив выступ консоли у лицевой стороны стенки. Чем равномернее эпюра давлений, тем меньше вероятность перекоса стенки вследствие осадки грунта основания.

М.14.16*. Что представляет собой явление "навала" подпорной стенки на грунт и от чего он возникает? Всегда ли следует его учитывать?

Явление "навала" подпорной стенки на грунт связано с ее неравномерной осадкой и наклоном задней грани вследствие этой осадки в сторону засыпки (рис.М.14.16). В результате давление ста новится больше активного, и это обстоятельство следует учитывать при расчете самой стенки на прочность. Навал стенки целесообразно учитывать только при высоких подпорных стенках.

Рис.М.14.16. Влияние навала высокой стенки на грунт:

а – схема перемещения стенки; б – эпюра давления:

1 – активное давление; 2 – пассивное давление;

3 – расчетное с учетом навала М.14.17. Какой вид приобретает эпюра активного давления грунта с учетом явления "навала" и после трамбования засыпки? Использование какого грунта для засыпки уменьшает активное давление на стенку?

С учетом навала эпюра давления увеличивается и занимает промежуточное положение между эпюрой активного и пассивного давления (см. рис.М.14.16,б). Практически давление увеличивается до 10–15 % (на высокую стену). Такое же изменение в эпюре вызывает уплотнение засыпки трамбованием (этот эффект учитывается на глубину уплотнения). Чем больше угол внутреннего трения в грунте засыпки, тем меньше активное давление. Поэтому использование крупнообломочного грунта или крупного песка приводит к умень шению активного давления грунта.

М.14.18*. Почему нужен дренаж за стенкой и каким образом влияет наличие воды в засыпке на общее активное давление грунта на стенку?

Дренаж за стенкой нужен потому, что он снимает давление воды на стенку и уменьшает фильтрационное противодавление на подошву грунта. При наличии дренажа увеличивается устойчивость стенки. Не смотря на то что в случае обводнения грунт "становится легче" за счет взвешивания скелета в воде, давление воды больше, чем это "облег чение", и суммарное давление обводненного грунта на стенку по сравнению с необводненным больше.

Ординаты эпюры давления x при гладкой стенке и горизонтальной засыпке равны:

Здесь второе слагаемое зависит от давления воды.

М.14.19*. Каким образом давление грунта на стенку "по Кулону" отличается от давления по теории предельного равновесия (активное и пассивное)?

Активное давление может быть равно давлению "по Кулону" или больше него (на несколько процентов). Пассивное давление может быть равно давлению "по Кулону" или резко превышать его (в от дельных случаях даже в три раза).

М.14.20*. Какие предположения делаются при расчете гибких подпорных стен? Что такое "коэффициент постели"?

При расчете гибких подпорных стен предполагается, что ордината эпюры бокового давления грунта на стену связана с прогибом стены в этом месте чем больше прогиб, тем меньше давление. Коэффициент постели это коэффициент пропорциональности между пере мещением и давлением, имеющий размерность, совпадающую с размерностью удельного веса напряжение.

М.14.21*. Как рассчитывается подпорная стенка с ломаной задней гранью?

Стенка продолжается до верха и рассчитывается, как будто наклон задней грани всюду одинаков, а затем из этой эпюры используется только та часть, которая приходится на фактически существующий участок стены. В целом эпюра получается ломаной.

М.15. ОТКОСЫ М.15.1. Что называется откосом?

Откосом называется искусственно созданная наклонная поверх ность, ограничивающая естественный грунтовый массив или насыпь.

М.15.2. Что такое заложение откоса? Где находится бровка откоса?

Для чего устраиваются бермы?

Заложение откоса это горизонтальная его проекция. Бровка откоса и линия, которая находится там, где начинается горизонтальная часть, его гребень. Бермы горизонтальные площадки, которые устраиваются для общего уположения откоса, а также с учетом техно логических особенностей (рис.М.15.2).

Рис.М.15.2. Откосы:

а – основные размеры; б, в, г – откосы с радиальным уклоном;

1 – подножье; 2 – поверхность; 3 – бровка; 4 – берма М.15.3. От каких факторов зависит устойчивость откосов?

Устойчивость откосов зависит от:

прочности грунтов под откосом и в его основании, причем характеристики прочности могут изменяться со временем;

удельного веса грунтов под откосом и в его основании;

крутизны откоса;

высоты откоса;

нагрузок на поверхности откоса;

фильтрации воды через откос;

положения уровня воды, насыщающей грунт в теле откоса.

Откосы земляных плотин и дамб в подводной части обычно более пологие, чем в надводной.

М.15.4. Какой характер может носить разрушение откоса?

Разрушение откоса может происходить внезапно и носить характер обвала или оплыва, а также проявляться в виде длительного оползания, что особенно характерно для глинистых грунтов. В ряде случаев грунты оснований под откосом являются менее прочными, чем грунты в теле откоса. Тогда становится возможным их выдавливание из под откоса, что может вызвать обрушение всего откоса или его части.

М.15.5. Какой вид имеет поверхность, по которой сползает откос?

Поверхность, по которой смещается откос, называется поверхно стью скольжения. Поверхность скольжения, отделяющая сползающий массив грунта от неподвижного, может иметь различное очертание.

Наблюдения показывают, что в большинстве случаев откосы сползают по поверхности скольжения, близкой по очертанию в сечении к дуге окружности. Первое решение оценки устойчивости откоса было по лучено Cullmann (1866) для случая плоской поверхности скольжения, проходящей через основание откоса (рис. М.15.5, а). Позднее было замечено, что поверхность скольжения имеет цилиндрическое очер тание и может проходить не только через основание (рис. М.15.5, б), но и через подножие откоса (рис. М.15.5, в). В некоторых случаях, при залегании более жесткого слоя грунта под мягким слоем, поверхность скольжения проходит по границе раздела двух слоев (рис. М.15.5, г).

Рис. М.15.5. Возможные поверхности скольжения М.15.6. Какие основные причины могут вызвать нарушение устой чивости откосов? Какими мероприятиями можно увеличить устойчивость откосов?

Возможные причины нарушения устойчивости откоса:

излишняя его крутизна;

подрезка откоса в нижней части;

утяжеление откоса вследствие увлажнения грунта;

уменьшение величины прочностных характеристик грунта тела откоса вследствие его увлажнения или других обстоятельств;

нагрузка на гребне откоса;

динамическое воздействие и т.д.

Мероприятия по увеличению общей устойчивости:

1) уположение откоса (рис.М.15.2,б); 2) пригрузка его нижней части (рис.М.15.2,г,в); 3) дренирование откоса; 4) закрепление грунтов тела откоса; 5) применение свай; 6) устройство подпорной стены и т.д.

Укрепление поверхности откоса может быть достигнуто устройством одежды, высевом трав с прочной корневой системой и т.д.

М.15.7. Какой откос называется предельно устойчивым?

Предельно устойчивым называется откос, под которым в каждой точке грунт находится в предельно напряженном состоянии. Те оретически предельно устойчивый откос из сыпучего грунта песка – имеет прямолинейный контур с углом наклона к горизонту, равным углу внутреннего трения. Предельно устойчивый откос из связного глинистого грунта криволинейный (см.рис.М.13.25), книзу он постепенно уполаживается и стремится к наклону, приближающемуся к углу внутреннего трения. Наиболее рациональное очертание откоса близкое к предельно устойчивому.

М.15.8. Каким образом производится расчет устойчивости откосов по методу круглоцилиндрических поверхностей? Как рассчитать разнород ный откос по методу круглоцилиндрических поверхностей?

По методу круглоцилиндрических поверхностей проводится серия возможных дуг окружностей, и для каждой из них составляется от ношение моментов удерживающих и сдвигающих сил. Далее отыс кивается методом пробных поисков минимум этого отношения. В том случае, если откос разнородный, зона, ограничиваемая поверхностью откоса и дугой проведенной окружности, делится на вертикальные, равные по ширине отсеки; для каждого из них определяются величины моментов удерживающих и сдвигающих сил. Далее моменты удерживающих Mуд и сдвигающих Mсдв сил отдельно суммируются, и отыскивается их отношение, которое называется коэффициентом надежности.

Коэффициент надежности определяется по формуле где L – длина поверхности скольжения.

Следующий, заключительный этап поиск минимального зна чения коэффициента надежности (рис.М.15.8).

Рис.М.15.8. Расчет устойчивости откоса по методу круглоцилиндрических поверхностей:

а – проведение круглоцилиндрических поверхностей для поиска наиболее опасных зон (положение центра и радиуса из условия минимума);

б – деление откоса на вертикальные отсеки М.15.9. Каким образом отыскиваются положение центра и радиус дуги окружности, по которой наиболее вероятно скольжение в откосе?

Отыскивается такая дуга окружности, для которой отношение мо ментов сил удерживающих и сил сдвигающих минимально. Для этой цели берется не менее девяти положений центров дуг, а затем графи чески отыскивается минимальное значение отношения этих моментов.

М.15.10. В каких случаях можно обойтись без расчетов устойчивости откосов?

Расчет устойчивости откосов обязательно делается при их высоте более 5 м. Однако при неблагоприятных условиях следует проводить проверку устойчивости откосов и при меньших их высотах, например при наличии фильтрующей воды, слоистого напластования грунтов с падающими слоями и др. Крутизна невысоких, до 5 м, откосов при благоприятных условиях обычно нормируется с учетом вида и состо яния грунтов, а также высоты откосов из соображений соблюдения техники безопасности.

М.15.11. Что такое "прислоненный откос" и каковы предпосылки его расчета?

Рис.М.15.11. Прислоненный откос:

1 – грунт откоса, расположенный на поверхности естественного его сползание. Это отношение и склона;

2 – поверхность склона М.15.12. Чему равен угол наклона откоса в песчаном и глинистом грунтах?

Из решения элементарных задач для сыпучей среды (песчаный грунт) и связной среды (глинистый грунт), расчетные схемы которых приведены на рис. М.15.12, а, б, получено, что предельный угол на клона откоса сыпучих грунтов равен углу внутреннего трения грунта =. В идеальносвязном грунте ( = 0, c 0 ) откос удерживается структурной прочностью грунта в вертикальном положении до глу бины, определяемой из выражения где – удельный вес грунта;

с – силы удельного сцепления.

Таким образом, до глубины h угол откоса в глинистом грунте = 90°.

Рис. 15.12. Расчетные схемы для песчаного (а) и глинистого (б) Глинистые грунты, в отличие от идеальносвязной среды, обладают не только трением, но и сцеплением, т.е. 0, c 0. Поэтому пре дельную высоту вертикального откоса, сохраняющего устойчивость без устройства подпорной стены, определяют по формуле

М.16. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

М.16.1. Чем вызываются динамические воздействия на грунты?

Динамические воздействия связаны с вибрацией вследствие дейст вия машин и механизмов, особенно их неуравновешенных вра щающихся частей, с ударными воздействиями, со взрывами, с перемещающимся транспортом, с сейсмическим воздействием, дейст вием фильтрационных потоков и др.

М.16.2. Как можно подразделить динамические воздействия на грунты?

Динамические воздействия можно подразделить на слабые, ко торые могут действовать относительно длительное время, и сильные, которые могут действовать кратковременно и даже однократно (удар, взрыв). По времени действия усилия подразделяются на длительно действующие и кратковременные.

Ударные нагрузки в виде импульсов (рис. М.16.2, а) возникают при работе машин периодического действия, например падающая часть молота пресса. Эти импульсы повторяются через заданные промежутки времени. Возникающие при этом в конструкции фундаментов и грунте основания собственные колебания показаны на рис. М.16.2, б.

Амплитуда собственных колебаний А после каждого импульса нагрузки постепенно затухает.

При равномерном вращении движущихся частей машин и ме ханизмов в грунте возникают колебания, близкие к гармоническим ко лебаниям (рис. М.16.2, в), которые описываются следующим урав нением:

где s(t ) – отклонение тела от начального положения;

А – амплитуда колебаний (см);

– частота колебаний (с 1);

Амплитуда гармонических колебаний А, постоянная и не затухает во времени.

При действии на грунты комбинации динамических нагрузок амплитуда колебаний может иметь сложный характер (рис. М.16.2, г).

Рис. М.16.2. Виды динамических нагрузок М.16.3. Что происходит в грунтах при динамических воздействиях на них?

Вибрация во время динамических воздействий уменьшает силы междучастичного трения и сопротивление сдвигу. Сильные импульс ные воздействия могут вызвать дополнительные осадки и просадки.

При определенной частоте колебаний междучастичное трение в сы пучих грунтах может настолько уменьшиться, что грунт приобретает свойства вязкой жидкости даже при малом количестве воды в нем. При наличии большого количества воды в грунте она может не успеть покинуть поры, в которых на ходилась; поэтому возникает по ровое противодавление, умень шающее сопротивление сдвигу.

При динамических воздействиях в основном уменьшаются меж частичные силы трения, в мень шей степени – угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения будет уменьшаться вследствие разрыхления грунта, то есть ростом отношения ускорения коле увеличения его пористости (рис.М.16.3).

При ускорениях колебаний до одного "g", как показали опыты, угол внутреннего трения практически не изменялся. Удельное сцепление после действия динамических нагрузок также может уменьшиться, однако, как правило, незначительно, но для этого нужны достаточно интенсивные динамические воздействия, разрушающие цементацион ные связи. Причинами слабого уплотнения маловлажных глинистых грунтов являются наличие большой связности у частиц и, как следствие, относительно высокая прочность агрегатов частиц грунта.

М.16.4. В чем заключается разжижение песчаных грунтов?

Разжижение песчаного грунта заключается в том, что с ростом час тоты колебаний он начинает "течь" как вязкая жидкость. Разжижение начинается после преодоления порога колебаний, т.е. по частоте. До разжижения при меньшей частоте колебаний до этого порога проявляется виброползучесть. Чаще всего разжижаются водонасы щенные мелкие и пылеватые пески. Чем больше пористость грунта, тем при меньших динамических воздействиях начинается разжижение.

Отсутствие в грунте напряжений именно переменного знака исключает возможность разжижения песчаного грунта. Статическая нагрузка не только снижает возможность разрушения структуры грунта, но и уменьшает уплотняемость несвязных грунтов при динамической нагрузке.

М.16.5. Что представляет собой виброуплотнение грунта?

Виброуплотнение это уменьшение пористости грунта при динамическом воздействии на него. При отсутствии внешней при грузки уплотнение сыпучих грунтов песков – начинается при любых, даже слабых динамических воздействиях, и при этом может быть достигнуто почти полное их уплотнение.

Рис.М.16.6. Зона разрушения грунта щение по радиальным направле вокруг взрывной полости 1:

2 – граница до взрыва; 3 – то же после взрыва; 4 – трещины в тангенциальном направлении чаются радиальные трещины М.16.7. Для каких целей применяются взрывы в строительстве?

Взрывы в строительстве применяются для рыхления грунтов при их разработке, а также для их уплотнения, например при предварительном замачивании лессовидных просадочных грунтов или мелких и пылеватых рыхлых песков. Взрывы используются в скважинах для их расширения при устройстве набивных свай и опор. Применяются также направленные взрывы для перемещения земляных масс это взрывы на выброс. Таким образом можно создавать дамбы и земляные плотины.

М.16.8. Какие виды грунтов наиболее опасны при наличии сейсмических воздействий?

Сейсмические колебания могут вызвать потерю устойчивости во донасыщенных несвязных грунтов и их переход в разжиженное состояние. Относительно наименее опасными являются скальные, полускальные и крупнообломочные плотные грунты. Более опасны все виды песков плотные и средней плотности, маловлажные и влажные, а также глинистые грунты с малыми значениями показателя текучести и величиной коэффициента пористости. Наиболее опасными являются рыхлые пески независимо от их влажности и крупности, а также глинистые грунты с большой пористостью и водонасыщенностью.

М.16.9. Чем характеризуется интенсивность колебаний при сейс мических воздействиях?

Интенсивность колебаний характеризуется коэффициентом сейс мичности отношением величины сейсмического ускорения к величине ускорения силы тяжести. Она зависит также от дина мичности и формы собственных колебаний сооружения.

М.16.10. Какие воздействия на грунты оказывает перемещающийся транспорт?

Сотрясение грунта, обусловленное движением транспорта, обычно значительно слабее сейсмических воздействий. Однако если действия этих нагрузок отличаются длительностью и если они имеют большую интенсивность, то могут служить причиной развития незатухающих осадок и даже вибротекучести грунтов.

М.16.11. Какие виды волн возникают в грунте при действии динамических и сейсмических нагрузок?

В грунте возникают два вида волн: продольные и поперечные.

Продольные волны возбуждаются в результате попеременного сжатия и расширения грунта. Поперечные волны распространяются в направлении, нормальном к направлению распространения колеба тельной волны.

Скорость распространения продольных и поперечных волн определяется по формулам:

где E Д, GД – динамические упругие продольный и поперечный мо дули деформации, соответственно;

М.16.12. Как определяются упругие продольный и поперечный модули деформации?

Эти модули определяются путем испытания образцов грунта в стабилометре. Для этого используется специальная конструкция стаби лометра, в котором в верхний нагрузочный штамп и основание вставлены пьезокерамические датчики, которые обладают способно стью генерировать упругую волну при изменении силы тока (рис.

М.16.12, а).

Рис. М.16.12, а. Испытания грунта с использованием пьезокерамических датчиков:

1 – элемент, генерирующий упругую волну; 2 – элемент, принимающий упругую волну; 3 – штамп; 4 – образец;

5 – поперечная волна; 6 – основание; 7 – генератор;

8 – осциллограф; 9 – генерируемый сигнал; 10 – измеряемая амплитуда колебаний Скорость прохождения волны через образец грунта с известной вы сотой определяют из записанной амплитуды колебаний (рис. М.16.12, в), как зафиксированное время t (на рис. М.16.12, б, t = 0,514 мс ), поделенное на высоту образца грунта; обычно она равна 76 мм ( vпоп = h / t ). Далее находят динамический упругий модуль сдвига:

а через него и динамический упругий продольный модуль, используя следующее выражение из теории упругости:

где Д – динамический коэффициент Пуассона.

Рис. М.16.12, б. Пример измерения поперечной волны М.16.13. Что называется затуханием или демпфированием ко лебаний?

Уменьшение амплитуды колебаний вследствие сопротивления грунта движению его частиц называется затуханием или демпфи рованием колебаний. Затухание колебаний показано на рис. М.16.12,б и М.16.13.

Рис. М.16.13. Затухание амплитуды колебаний Затухание амплитуды колебаний оценивается коэффициентом демпфирования, который определяется как отношение двух смежных амплитуд An и An+1 по одну сторону от оси времени (см. рис. М.16.13):

М.17. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

М.17.1. Что происходит с грунтом во времени при действии посто янной нагрузки?

Грунты, так же, как и другие материалы, обладают тем свойством, что при длительном действии нагрузки в них накапливаются деформации, называемые деформациями ползучести. Другим свой ством материалов является их способность к уменьшению напряжений во времени; процесс падения напряжений во времени называется релаксацией.

Деформации ползучести обусловлены деформацией твердых частиц грунта и возникают после завершения процесса фильтрационной консолидации.

В механике грунтов используются такие понятия как первичная и вторичная консолидация грунтов. Под первичной консолидацией понимается уплотнение (сжатие) грунта за счет перемещения твердых частиц и оттока воды из порового пространства. После завершения процесса первичной консолидации начинается этап сжатия грунта в течение вторичной консолидации; сжатие грунта возможно лишь за счет деформации твердых частиц грунта, так как при завершении первичной консолидации их пористость стала минимальной.

М.17.2. Как определить начало вторичной консолидации грунтов?

Для определения начала вторичной консолидации используются зависимости, приведенные на рис. М.17.2. Эти зависимости находятся из испытаний образцов грунтов в компрессионных приборах.

Начало этапа фильтрационной консолидации определяется по начальному участку зависимости осадки S от корня квадратного из времени t (рис. М.17.2, а). Для определения начала процесса ползу чести или завершения процесса первичной консолидации используется график зависимости осадки S от логарифма времени lg t, приведенный на рис. М.17.2, б. Для этого находится точка пересечения касательной, проведенной к нижнему участку кривой фильтрационной консо лидации, и касательной к участку кривой вторичной консолидации (точка 2 на рис. М.17.2, б).

Рис. 17.2. Определение этапов первичной и вторичной консолидации водонасыщенных грунтов Окончание процесса фильтрационной консолидации соответствует моменту полного рассеивания порового давления u = 0, что можно определить при испытании образцов грунта.

М.17.3. Покажите возможные графики развития деформаций ползу чести во времени.

На рис. М.17.3 показаны кривые деформаций ползучести грунтов во времени. Прямая 1 соответствует развитию деформаций с постоянной скоростью (d / dt = const) ; кривая 2 характеризует не затухающую ползучесть (d / dt ) и кривая 3 – затухающую ползу честь (d / dt 0).

Рис. М.17.3. Кривые ползучести Как видно из рис. М.17.3, на кривой незатухающей ползучести в пределах участка АВ имеет место развитие деформаций ползучести при постоянной скорости.

Виды кривых ползучести зависят от величины нагрузки. С ростом внешней нагрузки изменяется характер развития деформаций ползу чести. При малых нагрузках наблюдается затухающий характер разви тия деформаций ползучести, при значительных нагрузках возникают незатухающие деформации ползучести.

М.17.4. Что такое релаксация напряжений?

Если к какому либо телу или образцу грунта приложить посто янную нагрузку (напряжения) и измерять ее изменение во времени, сохраняя при этом постоянной деформацию, то мы увидим падение напряжений с ростом времени (рис. М.17.4). Процесс уменьшения напряжений во времени при неизменной деформации называется релаксацией напряжений.

Рис. М.17.4. Кривая релаксации напряжений М.17.5. Что такое мгновенная и длительная прочность грунтов?

Мгновенной прочностью называется сопротивление грунта внеш ней нагрузке в начале его нагружения, и характеризуется величиной напряжения o в момент времени t = 0. С ростом времени напряжение падает до остаточного значения. Это напряжение характеризует сопротивление грунта внешней нагрузке на достаточно продол жительном отрезке времени. В промежутке прочность грунта назы вается длительной или временной t.

М.17.6. Какие методы используются для определения деформаций ползучести?

Деформации ползучести определяются с использованием теории наследственной ползучести Больцмана – Вольтера. Выражение при за тухающей ползучести и однократном нагружении имеет вид:

где первый член в формуле определяет величину мгновенной дефор мации в момент времени t, второй – характеризует деформацию, которая накапливается во времени, пропорциональна напряжению (to ), промежутку действия времени to и функции K (t to ) и назы вается ядром ползучести.

Ядро ползучести определяется с использованием формулы где, 1 – параметры ползучести, устанавливаемые из испытаний М.17.7. Как определяются параметры ядра ползучести, 1 ?

Определение параметров ядра ползучести, 1 выполняется путем испытания образцов грунта в компрессионном приборе. По резуль татам сжатия грунта на стадии первичной консолидации определяется коэффициент сжимаемости mo = e1 / lg t. Продолжая испытания, на стадии вторичной консолидации находят коэффициент вторичной сжимаемости mo = e 2 / lg t (рис. М.17.7, б). Значение mo опреде ляется в интервале времени между t=100 мин и t= 1000 мин.

Рис. М.17.7. Определение параметров ядра ползучести Параметр затухания ползучести компрессионных испытаний, используя зависимость ln t, пока занную на рис. М.17.7, а. Далее второй параметр ядра ползучести находят по формуле М.17.8. Как определить осадку основания за счет вторичной консо лидации грунтов?

В механике грунтов получены решения для определения осадки в течение вторичной консолидации для трех моделей грунта: одноком понентной, рассматривающей ползучесть только твердых частиц грунта; двухкомпонентной – грунт включает твердые частицы, и по ровое пространство полностью заполнено водой; трехкомпонентной – когда грунт является трехфазной системой (твердые частицы, вода и воздух).

М.18. ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ

М.18.1. Перечислите известные Вам полевые методы испытаний грунтов.

К полевым методам испытаний грунтов относятся следующие виды:

– плоским штампом в шурфах или на дне котлована (рис. М.18.1,а);

Рис. М.18.1. Виды испытания грунтов в полевых условиях – плоским штампом в скважине (рис. М.18.1, б);

– винтовым штампом ниже забоя скважины (рис. М.18.1, в);

– винтовым штампом в массиве (рис. М.18.1, г);

– радиальным прессиометром (рис. М.18.1, д);

– лопастным прессиометром в стенке скважины (рис. М.18.1, е);

– лопастным прессиометром ниже забоя скважины (рис. М.18.1, ж);

– лопастным прессиометром в массиве (рис. М.18.1, з);

– динамическим зондированием (рис. М.18.1, и);

– конусным стандартным или пьезометрическим зондом (рис.

М.18.1, к);

– дилатометром (рис. М.18.1, л);

– крыльчаткой в массиве или ниже забоя скважины (рис. М.18.1, м);

– плоским статическим зондом (рис. М.18.1, н).

Во всех методах испытаний прикладывается внешняя сосредо точенная или крутящая нагрузка, показанная на рис. М.18.1.

М.18.2. С какой целью проводятся полевые испытания грунтов?

Основное назначение полевых испытаний грунтов заключается в определении их прочностных и деформационных характеристик.

Значительно реже проводятся полевые испытания для определения естественной влажности и плотности грунтов. В основном из за неопределенности разработанных методов и сложности проведения испытаний, в особенности если используются радиоактивные изотопы.

Полевые испытания позволяют определить следующие харак теристики грунтов:

– модуль деформации Е;

– недренированную прочность cu ;

– угол внутреннего трения ;

– индекс плотности I D ;

– коэффициент бокового давления в состоянии покоя o ;

– коэффициент переуплотнения OCR ;

– коэффициент консолидации в горизонтальном направлении ch ;

– коэффициент фильтрации K ф.

М.18.3. Что такое прессиометр, какова его схема?

Прессиометр представляет собой закрытый цилиндр с резиновой боковой поверхностью (рис.М.18.3), в который подается давление p.

Затем (после стабилизации) измеряют увеличение диаметра цилиндра d. Зная отношение p /d, устанавливают по линейному участку диаграммы величину модуля деформации Eo. В обычных случаях для вычисления Eo нужно знать коэффициент Пуассона грунта. Мы полу чаем при этом испытании модуль деформации в горизонтальном, а не в вертикальном направлении; в то время как в грунтах, являющихся при родными образованиями, деформируемость в горизонтальном и верти кальном направлениях может быть разной (проявляется анизотропия).

Рис.М.18.3. Схема испытания грунта прессиометром:

1 – резиновая камера; 2 – скважина; 3 – шланг; 4 – баллон сжатого воздуха; 5 – устройство регистрации давления М.18.4. Как и для чего проводятся испытания плоским штампом?

Штамповые испытания (рис.М.18.4) заключаются в том, что штамп круглая плита устанавливается на дно котлована на пред варительно зачищенную и разровненную поверхность грунта, после че го загружается ступенями нагрузки. Последующая ступень нагрузки прикладывается после затухания осадки от предыдущей ступени. По линейному участку зависимости осадки s, см, от нагрузки p, МПа, уста навливается модуль деформации E. Основным достоинством этого вида испытаний является то, что они ведутся непосредственно в грун товом массиве. При испытаниях жесткими штампами требуется тща тельная их установка на грунт с прилеганием по всей поверхности.

Испытания штампом в полевых условиях выполняются с использованием метода ГОСТ 20276 85 для определения зависимости между осадкой штампа s и давлением на грунт под штампом p.

Рис.М.18.4. Штамповые испытания грунта в котловане Cогласно ГОСТ 20276 85 испытания проводят в шурфах жестким круглым штампом площадью 2500 и 5000 см2, а ниже уровня грунтовых вод и на больших глубинах – в скважинах штампом площадью 600 см2.

Для создания пригрузки от грунта применяют плоский штамп площадью 1000 см2 с кольцевой пригрузкой по площади, дополняющей площадь штампа до 5000 см2 (рис. М.18.4,б).

Для определения модуля деформации используют график зави симости осадки от давления (рис. М.18.4,а), на котором выделяют линейный участок, проводят через него осредняющую прямую и вычисляют модуль деформации, используя решение теории упругости, по формуле где – коэффициент Пуассона, равный: 0,27 для крупнообломочных грунтов, 0,39 – для песков и супесей, 0,35 – для суглинков и – безразмерный коэффициент, равный 0,79 для круглого d – диаметр штампа;

p – приращение давления на штамп;

s – приращение осадки штампа, соответствующее p.

М.18.5. Как проводятся испытания винтовым штампом?

Испытания винтовым штампом проводят с целью определения модуля деформации грунтов. Модуль деформации вычисляют с ис пользованием выражения, приведенного в М.18.4, но плоский штамп заменяют винтовым площадью 600 см2. Погружение винтового штампа (ГОСТ 20276 85) производят завинчиванием ниже забоя скважины или с поверхности в массив грунта без бурения скважины. При испытаниях в скважинах глубина завинчивания винтового штампа ниже забоя скважины должна составлять 30–50 см, в зависимости от вида грунта.

На рис. М.18.5 показана установка для испытания грунтов винтовым штампом.

Рис. М.18.5. Устройство для испытания грунтов на сжимаемость винтовым штампом конструкции В.И.Каширского М.18.6. Что такое дилатометр и для чего он используется?

Дилатометр представляет собой плоскую пластину с мембраной в ее центральной части (рис. М.18.6). Дилатометр задавливается в грунт на заданную глубину полыми штангами, которые постепенно нара щиваются по мере его погружения.

Рис. М.18.6. Схема испытания грунта дилатометром От дилатометра сквозь штанги пропущен шланг, который соединен на поверхности грунта с манометром и баллоном с газом или жидкостью. На заданной глубине открывается кран и газ/жидкость подаются через шланги в полость под стальной мембраной. Измерения проводятся в два этапа. На первом этапе создается давление po, при котором мембрана прогибается в центре на 0,05 мм, на втором – создается давление p1 при котором мембрана прогибается на 1,1 мм.

После этого дилатометр погружается глубже и измерения повторяются в другой точке массива грунта.

Из результатов испытаний определяются физические и механи ческие свойства грунтов: индекс плотности I D, коэффициент бокового давления в состоянии покоя o, коэффициент переуплотнения OCR, недренированную прочность cu, угол внутреннего трения, коэффи циент консолидации в горизонтальном направлении ch, коэффициент фильтрации K ф, плотность грунта, модуль деформации Е D. Следует заметить, что модуль деформации Е D не совпадает со штамповым модулем.

Область применения дилатометра ограничена глинистыми грун тами, так как для его погружения в плотный песок, гравелистые грунты, твердые глины необходимо создавать большое вдавливающее усилие. Кроме того, в этих грунтах при погружении возможно повреж дение мембраны дилатометра.

М.18.7. Как проводятся испытания грунтов методом статического зондирования?

Испытания методом статического зондирования проводятся путем задавливания в грунт стального стержня с коническим наконечником, с углом при вершине 60о; диаметр стержня принимается равным 32–36 мм. Нижняя часть погружаемого в грунт устройства называется зондом (рис. М.18.8,а). Зонд конструктивно соединяется со стальными полыми штангами, которые удлиняются по мере заглубления зонда в грунт.

При погружении зонда в грунт измеряются лобовое сопротивление qc и трение на боковой поверхности муфты трения fs.

Задавливание зонда выполняется непрерывно с заданной ско ростью перемещения, см/с, обычно со скоростью 2 см/с.

М.18.8. Чем отличается пьезопенетрометр от стандартного пене трометра и для чего он применяется?

Как и стандартный пенетрометр, пьезопенетрометр представляет собой устройство в виде цилиндра и конуса, которое непрерывно погружается в грунт задавливанием гидравлическим домкратом. В стандартном пенетрометре при погружении зонда в грунт измеряются лобовое сопротивление qc и трение на боковой поверхности муфты трения fs. В отличие от стандартного пенетрометра в пьезопенетрометр встроены дополнительно датчики порового давления u1, u2, u3 (рис.

М.18.8, а), датчик угла наклона (инклинометр) и акселерометр.

Сигналы с датчиков передаются через полые штанги на поверхность и интерфейс в портативный компьютер. В некоторых зондах исполь зуется беспроводная система передачи сигналов с датчиков.

За рубежом зонды, измеряющие лобовое сопротивление и трение по боковой поверхности, получили наименование CPT (cone penetrometer), а измеряющие лобовое сопротивление, трение и поровое давление – CPTU.

Существующие СРТ системы могут быть разделены на два класса.

Первый класс – это зонды, применяемые для оценки физических и механических свойств грунтов при статическом нагружении и вто рой – для оценки динамических свойств грунтов.

Разработано большое количество пьезопенетрометров, которые имеют различные форму и положение фильтров для измерения порового давления: некоторые имеют фильтры у основания конуса или по его середине (рис. М.18.8,а), а некоторые – на цилиндрической части за конусом. На практике в большинстве случаев используются зонды с фильтрами за конусом. Положение u2 – на рис. М.18.8,а. При измерении порового давления можно в случае необходимости вводить корректировку сопротивления конусу с учетом эффекта порового давления, что наиболее важно для глинистых грунтов.

Рис. М.18.8, а. Конструктивная схема пьезопенетрометра Сопротивление внедрению пенетрометра определяется двумя способами. В первом случае измеряется полная сила сопротивления, включающая боковое fs и лобовое qc сопротивление, во втором – боковое сопротивление рассчитывается путем вычитания лобового сопротивления из полного сопротивления внедрению конуса. Во втором случае лобовое и боковое сопротивление внедрению конуса определяются раздельно. При этом измеряемые силы трения не превышают 1 МПа. В твердых глинах силы трения, как правило, значительно больше; поэтому для подобных грунтов рекомендуется использовать первый способ измерения.

Рис. М.18.8, б. Пример построения профиля Используя номограммы и результаты испытаний CPT или CPTU, можно определить вид грунта в исследуемом массиве, построить про фили изменения лобового сопротивления qc, сил трения fs, порового давления u, скорости прохождения поперечной волны vs (рис.

М.18.8,б). Испытания позволяют также найти недренированный модуль деформации E c, угол внутреннего трения и недренированную прочность cu.

М.18.9. Как определить модуль деформации, используя результаты испытаний методом статического зондирования?

Недренированный модуль деформации находится из эмпирической зависимости с использованием измеренного лобового сопротивления qc по формуле где c – коэффициент корреляции, зависящий от вида грунта и со противления внедрению конуса;

qc – сопротивление внедрению конуса.

Типичные значения для песка c = 3, но могут быть значительно больше, в частности для переуплотненных песчаных грунтов. Типич ное значение для глин c = 10, если учитывается природное давление v при определении сопротивления внедрению, qc v.

Недренированная прочность cu связана с сопротивлением внедре нию qc и определется из выражения где N k – коэффициент, изменяется от 10 до 20, иногда более;

v – природное (бытовое) давление в точке определения недре М.18.10. Как проводятся испытания методом динамического зон дирования?

Испытания проводятся двумя способами: с использованием стан дартного конусного пенетрометра и зонда в виде разъемной полой трубы (рис. М.18.10). В обоих случаях погружение в грунт зондов осуществляется за счет веса падающей части молота.

Рис. М.18.10. Испытание грунтов динамическим зондированием В первом способе динамическое зондирование выполняется кону сом, диаметр которого может быть больше или равен диаметру штанг.

Зонд погружается ударами, за счет массы молота 60 кг, падающего с высоты 60 см. Число ударов (залог) N принимают, в зависимости от вида грунта, в пределах 1 20 ударов, исходя из глубины погружения зонда на 10 15 см за залог.

Во втором способе в грунт забивается зонд, представляющий собой толстостенную трубу, диаметр которой (50 мм) больше диаметра штанг.

Зонд погружается ударами падающей части молота массой 63,5 кг с высоты в 76 см в три этапа по 150 мм. В процессе погружения зонда определяется количество ударов N, необходимое для погружения зонда на глубину 30 см, в течение второго и третьего этапов погружения.

Второй способ испытаний позволяет не только определить динамическое сопротивление грунта погружению зонда, но и отобрать одновременно образцы грунта с нарушенной структурой. По стандарту США ASTM D 1586, данный вид испытаний называется «стандартные пенетрационные испытания» – SPT. В России данный вид испытаний называется «зондирование пробоотборником».

Испытания пробоотборником выполняются преимущественно в песчаных грунтах и служат для оценки их относительной плотности.

Упругий модуль песчаного грунта может быть определен из SPT испытаний, путем подсчета ударов с использованием выражения где N – среднее значение ударов на 30 см толщи грунта от молота массой 63,5 кг, падающего с высоты 76 см. Зонд погружается в грунт на 45 см, а удары считаются на последних 30 см; d – диаметр зонда; h – глубина погружения зонда.

Данное выражение было разработано на основании информации из литературных источников и наблюдений за начальными осадками без учета энергии молота. Альтернативное выражение для определения упругого модуля чистых песков или гравия имеет вид:

– переуплотненные пески – нормально уплотненные пески или гравий где N ave – среднее количество ударов на глубине Н=В ниже подошвы фундамента.

М.18.11. Как определить модуль деформации, используя результаты испытаний грунтов прессиометром?

Для этого используется несколько конструкций прессиометра. В ГОСТ 20276 85 приведены два метода испытаний радиальным и лопастным прессиометрами. В радиальном прессиометре в ходе испы таний выполняется измерение расширения резиновой камеры при заданном давлении жидкости или воздуха, опущенной на заданную глубину в пробуренную скважину.

В лопастном прессиометре в грунт вдавливаются два жестких штампа прямоугольной формы, площадь которых зависит от глубины испытания и вида грунта.

В Англии используется также самозабуривающийся прессиометр включающий режущую часть, с помощью которой выполняется разбуривание грунта с одновременной промывкой водой и удалением грунта на поверхность. Считается, что самозабуривающийся пресси ометр вносит меньшие изменения в структуру грунта по сравнению с баллонным прессиометром. Результаты испытаний с использованием баллонного прессиометра показывают, что прессиометрический мо дуль деформации Ei сначала возрастает с ростом радиального без размерного отношения R / Ro, как показано на рис. М.18.11.

Рис. М.18.11, а. Изменение модуля деформации при расширении скважины R в испытаниях баллонным прессиометром Результаты испытаний самозабуривающимся прессиометром отли чаются тем, что изначально высокие значения модуля деформации Ei затем уменьшаются с ростом изменения объема без начального возрастания модуля. Прессиометрический модуль равен двойному значению модуля сдвига. Если грунт при разгрузке ведет себя упруго, то упругий модуль деформации Eur = 2Gur. По стандарту ASTM модуль деформации определяется с использованием выражения где – коэффициент Пуассона, принимается равным 0,33;

p – изменение давления;

R– радиус скважины;

R – изменение радиуса от Rpo на средней точке прямолинейного участка прессиометрической кривой;

R pm – изменение в радиусе на выбранном прямолинейном участке прессиометрической кривой.

Рис. М.18.10, б. Зависимость деформаций стенок По ГОСТ 20276 85, модуль деформации определяется на участке линейной зависимости деформации от давления между точкой p1, соответствующей обжатию неровностей стенок скважины, и точкой p2, после которой начинается интенсивное развитие пластических дефор маций в грунте. Модуль деформации для радиального прессиометра вычисляется по формуле где k – коэффициент;

ro – начальный радиус скважины;

p – приращение давления;

r – приращение радиуса, соответствующее p.

Коэффициент k рекомендуется определять путем сопоставления данных прессиометрии с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта штампом.

М.18.12. Что такое эквивалентный модуль деформации?

Эквивалентный упругий модуль используется при определении осадки плитных фундаментов и фундаментов мелкого заложения.

Существует несколько методов для его определения.

Из теоретического решения для связных грунтов получено следующее выражение:

где q – предельное давление на грунт;

R – эквивалентный радиус плиты фундамента, определяемый при b – ширина плиты;

sc – осадка центра плиты.

В полуэмпирическом методе эквивалентный упругий модуль воз растает линейно с глубиной и определяется из выражения где k – параметр, связывающий изменение модуля E s с глубиной z, D – глубина заложения подошвы фундамента;

E o – упругий модуль на поверхности грунта.

М.18.13. Как и для чего проводятся испытания методом лопастного среза?

Испытания методом лопастного среза проводятся с целью опре деления недренированной прочности cu. Эти испытания проводятся преимущественно в слабых, водонасыщенных глинистых грунтах. На рис. М.18.13 показана процедура испытаний. В ходе испытаний в грунт ненарушенной структуры, находящийся ниже забоя скважины, задав ливается крыльчатка, состоящая из четырех взаимно перпен дикулярных пластин. После этого крыльчатка постепенно повора чивается до среза грунта. В процессе нагружения измеряется макси мальное значение крутящего момента М кр. Недренированная проч ность глинистого грунта находится из выражения Рис. М.18.13. Испытания грунтов лопастным срезом Если после пика крутящего момента продолжить вращение крыль чатки, то можно получить остаточное значение момента М ост, соответствующее полному разрушению грунта. Отношение М кр / М ост называется чувствительностью глинистого грунта. Этот показатель используется при оценке усилия, необходимого для погружения свай в глинистые грунты, а также для классификации глинистых грунтов.

М.18.14. В чем отличие испытаний дилатометром от испытаний плоским зондом?

Плоский зонд представляет собой стальную пластину с переменной или постоянной по высоте толщиной, в которую встроены жесткие датчики (месдозы) и датчики порового давления (рис. М.18.14, а).

Измерительная часть у плоского зонда является жесткой мембраной, а у дилатометра – гибкой. Это позволяет не только проводить испытания гравелистых грунтов и глинистых грунтов с включениями, но и более точно измерять боковые (горизонтальные) природные напряжения h.

После вдавливания зонда в грунт (в скважину или без скважины) дожидаются релаксации напряжений – в течение 15 30 минут для песка или в течение 30 60 минут для глинистого грунта, затем записывают отсчетные значения боковых природных напряжений h и величину порового давления pw.

Рис. М.18.14. Испытания плоским зондом:

а – конструкция зонда; б – релаксация боковых напряжений Результаты испытаний позволяют определить коэффициент боко вого давления, коэффициент фильтрации и модуль деформации грунтов.

М.19. ВВЕДЕНИЕ В НЕЛИНЕЙНУЮ

МЕХАНИКУ ГРУНТОВ

М.19.1. Чем отличается нелинейная механика грунтов от линейной механики грунтов?

Ранее были рассмотрены решения, полученные в рамках клас сической линейно деформируемой механики грунтов.

Классическая механика грунтов основана на знаниях, которые были накоплены в 20 60 е гг. прошлого века. Современная (нели нейная) механика грунтов возникла благодаря развитию компью терных технологий, примерно в середине 60 х – начале 70 х годов прошлого века. Нелинейная механика грунтов использует различные модели грунтов и численные методы решения систем нелинейных дифференциальных уравнений. В отличие от нелинейной механики грунтов, в классической механике грунтов решения получены в аналитическом виде, в виде формул, таблиц, номограмм, что упрощает их практическое использование. Однако, несмотря на простоту применения, эти решения можно использовать только до опреде ленного уровня напряжений (как правило, не выше расчетного сопротивления грунта основания R) при расчете осадки фундамента и для определения предельной нагрузки pпр на основание при неизвестной осадке фундамента (рис. М.19.1).

Рис. М.19.1. Области применения классической и современной механики грунтов Используя нелинейную механику грунтов, можно определить осадку на любой ступени нагружения фундамента, вплоть до пре дельной, по устойчивости основания pпр, в том числе и при линейно деформируемой работе грунта основания.

М.19.2. Что такое модель грунта?

Моделью грунта называется функция, описывающая поведение грунта при действии на него внешней изменяющейся нагрузки.

Все известные модели грунтов можно подразделить на две группы:

1. Деформационные линейно и нелинейно упругие модели.

2. Упругопластические модели.

М.19.3. Чем отличаются линейные и нелинейно упругие модели грунта?

Основной моделью грунта в классической механике грунтов явля ется функция, связывающая деформацию с напряжениями, предло женная Гуком (см. М.4.12). Закон Гука используется в теории упругости и применялся в классической механике грунтов, исходя из предположения, что он справедлив при линейно упругой работе грунта. Отсюда классическую механику грунтов называют также линейной или линейно упругой механикой грунтов. Зависимость между напряжениями и деформациями показана на рис.М.19.3,а и имеет вид =. Упругий модуль деформации, входящий в данное выражение, является постоянной величиной.

Рис.М.19.3. Зависимости между напряжениями и деформациями:

а – упругое поведение; б – нелинейно упругое поведение В нелинейно упругой механике грунтов используются те же зависимости, что и в линейно упругой механике грунтов, с тем различием, что модуль деформации Е является переменным и зависит от величины пластической (остаточной) деформации – уменьшается с ростом последней. Зависимость между напряжениями и дефор мациями имеет вид, приведенный на рис.М.19.3,б, и записывается в форме = f ().

Для описания нелинейно упругого поведения грунтов исполь зуются различные функции, например степенная функция вида:

где A, B, m – параметры, определяемые из опытов.

М.19.4. В каких случаях используются упругопластические модели грунтов?

Все грунты, как и многие другие материалы, показывают неупругое поведение с возникновением остаточных деформаций (рис.М.19.4). Из рис.М.19.4б видно, что при разгрузке материала одновременно с упругой деформацией e возникает остаточная деформация p, при этом ветвь нагружения не совпадает с ветвью разгрузки, в отличие от нелинейно упругой модели деформирования (рис.М.19.4,а). Эта остаточная деформация называется пластической деформацией.

Величины упругой e и пластической p деформации определяются раздельно: первая – с использованием решений теории упругости, а вторая – с помощью математического аппарата теории пластичности.

Рис. М.19.4. Диаграммы деформирования:

а – нелинейно упругое; б – пластическое с упрочнением;

в – пластическое без упрочнения На рис.М.19.4 показаны три диаграммы деформирования. Первая соответствует нелинейно упругой модели, а две вторые – упругоплас тической модели деформирования материала. Последняя модель называется идеально пластической и описывает упругое или нелинейно упругое поведение на первом участке ОА и дефор мирование с возникновением только остаточных (пластических) деформаций на втором участке АВ диаграммы деформирования.

Полная деформация в упругопластических моделях грунтов опре деляется как сумма упругой и остаточной деформаций:

В упругой или нелинейно упругой модели грунта полная деформация равна упругой деформации, т.е. = e.

М.19.5. Что такое условие прочности и для чего оно используется?

Условие прочности используется для определения момента пе рехода от упругого к неупругому деформированию. Условие прочности представляет собой математическую функцию, которая используется для определения величины напряжения, при котором начинается разрушение грунта с возникновением пластических деформаций. Это напряжение в механике грунтов называется предельным напряжением, а в теории пластичности – напряжением текучести T.

Наиболее известным условием прочности является условие прочности, предложенное Кулоном (см. М.11.19, М.11.22).

М.19.6. Что называется поверхностью текучести?

Если условие прочности отобразить в пространстве главных напряжений 1, 2, 3, используя значения T для различных тра екторий напряжений, то получим поверхность, которую называют по верхностью текучести или прочности; в каждой точке этой поверхности выполняется условие предельного состояния, т.е. состояние разрушения грунта. На рис. М.19.6,а показана поверхность текучести Кулона, а на рис.М.19.6, б – сечение поверхности текучести плос костью (девиаторная плоскость), перпендикулярная пространственной диагонали. Как видно из рис.М.19.6,б, след поверхности текучести в этой плоскости имеет шестигранную форму с несимметричным положением сторон относительно осей главных напряжений (a > b).

Рис.М.19.6. Поверхность текучести Кулона в пространстве главных напряжений (а) и девиаторной плоскости (б) Если провести продольное сечение поверхности текучести по направлению пространственной диагонали, то мы получим след поверхности текучести в виде двух линий, которые называются предельными огибающими (рис.М.19.6,в).

Рис.М.19.6,в. След поверхности скольжения Верхняя линия определяет прочность грунта в условиях трехосного сжатия, а нижняя линия – в условиях трехосного расширения. Как видно из рис.М19.6,в, углы наклона этих линий различны, а прочность грунта при сжатии (1 3 )c выше прочности грунта при расширении ( 1 3 )max при одном М.19.7. Какие условия прочности наиболее часто используются в упругопластических моделях грунтов?

Это условия прочности Кулона, Друкера – Прагера, Lade. – Dun can, Matsuoka. – Nakai и др. Из рис.М.19.6 видны различия в очертании следа отмеченных поверхностей текучести в девиаторной плоскости.

Наибольшее различие имеется между условием прочности Кулона и Друкера – Прагера. Условия прочности, предложенные Lade Duncan и Matsuoka Nakai, получены путем модернизации условия прочности Кулона, но в отличие от условия прочности Кулона они имеют гладкую поверхность, т.е. не имеют углов. Следует заметить, что из опытов в стабилометре получено подобное «каплеобразное» очертание поверх ности текучести в девиаторной плоскости.

Рис.М.19.7. След поверхностей текучести в девиаторной плоскости Форма поверхностей текучести различна в пространстве главных напряжений, но все они открыты по отношению к пространственной диагонали. Поверхность текучести Кулона – это шестигранная пира мида, а поверхность текучести Друкера – Прагера это круговой конус (рис. М.19.7,а).

Функция, выражающая условие прочности Друкера – Прагера, имеет следующий вид:

где q – девиатор напряжения ( q = 1 3 );

ср – среднее напряжение;

, k – параметры, определяемые из испытаний образцов грунта в М.19.8. Что такое модели грунта семейства «Кэм Клей»?

Первая модель грунта этого семейства была предложена в начале 70 х гг. прошлого века Роско (K.H.Roscoe) и другими сотрудниками Кэмбриджской инженерной лаборатории (Англия). Поверхность текучести состоит из двух частей: первая описывает поведение грунта при девиаторном нагружении, а вторая учитывает увеличение проч ности грунта за счет его уплотнения. Первая поверхность текучести принимается подобной поверхности текучести, например Кулона или Друкера Прагера, а вторая – в виде колпачка с замыканием на пространственной диагонали и примыканием ее к первой поверхности текучести (рис. М.19.8). Эта модель грунта получила наименование Кэм Клей (Cam Clay), а последующие являются модифицикациями модели Кэм Клей.

Рис.М.19.8 (начало). Поверхность текучести и компрессионная кривая Вид поверхности текучести Кэм Клей в меридианной плоскости показан на рис.М.19.8,в, а в пространстве главных напряжений – на рис.М.19.8,г. В девиаторной плоскости очертание следа поверхности текучести Кэм Клей совпадает с очертанием следа поверхности текучести Друкера – Прагера, т.е. имеет вид окружности.

Функция, выражающая условие прочности модели Кэм Клей, имеет следующий вид:

где q – девиатор напряжения;

– текущее среднее напряжение;

ср – среднее напряжение в предельном состоянии.

Рис.М.19.8 (продолжение). Поверхность текучести модели грунта Кэм Клей (в) и модифицированная Функция, выражающая условие прочности модифицированной мо дели Кэм Клей, имеет вид:

где обозначения те же, что и в предыдущем выражении.

Отличие данной модели грунта от предыдущей заключается в отсутствии угла в месте сопряжения двух поверхностей текучести, так как поверхность текучести принята единой в виде эллипса.

Рис.М.19.8 (окончание). Поверхность текучести модифицированной модели Кэм Клей Форма поверхности текучести в меридианной плоскости представ лена на рис.М.19.8,д. Пунктирной линией на этом рисунке показано очертание поверхности текучести начальной модели Кэм Клей. Две поверхности совпадают точно при ср = ср, но замыкание поверхности на оси средних напряжений имеет место при различных значениях среднего напряжения.

М.19.9. Какие программы используются сегодня для расчета осно ваний и фундаментов зданий и сооружений, чем они отличаются друг от друга?

В настоящее время известны десятки программ (Plaxis, Crisp, Flac, Geo Slope и др.), которые позволяют выполнять подобные расчеты.

Широкое распространение получили программные пакеты Plaxis, Sage Crisp, Flac, Geo Slope, Z Soil, Oasys, Pisa и др. В эти пакеты включено большинство известных моделей грунтов, что позволяет выполнять расчеты напряженно деформированного состояния грунтовых осно ваний зданий, земляных сооружений, плотин, подпорных и шпунтовых стен.

Более мощные программные комплексы Abaqus, Ansys, Nastran предназначены для расчета не только оснований, но и оснований совместно с надземными конструкциями. В этих пакетах приведено значительно меньше готовых моделей грунтов, но при этом польз ователь имеет возможность самостоятельно ввести любую модель материала.

Программы, необходимые для решения практических задач из области геотехники, можно найти на сайте http: // www/ejge.com/ GVL/soft gvl.htm. Здесь приведены краткие аннотации известных программ и даны ссылки на соответствующие сайты. На сайте профессора A.Verruijt (http://geo.verruijt.net) находятся программы, которые можно использовать без лицензии.

ЧАСТЬ II

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Ф.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Ф.1.1. Что называется основанием зданий и сооружений?

Основанием зданий и сооружений называется массив грунта, нахо дящийся ниже подошвы их фундаментов и воспринимающий нагрузку от фундаментов и надземных конструкций.

Ф.1.2. На какие виды можно подразделить основания? Основания можно подразделить на нескальные и скальные. Нескальные осно вания представляют собой массивы, сложенные крупнообломочными, песчаными и пылевато глинистыми грунтами. Крупнообломочные и песчаные грунты, не имеющие структурных связей, называются сыпучими грунтами.

Скальные основания сложены магматическими, метаморфичес кими и осадочными грунтами, прочность которых на одноосное сжатие изменяется от 5 до 50 МПа.

Ф.1.3. Можно ли с помощью классификационных показателей оценить прочность и сжимаемость нескальных грунтов основания?

Крупнообломочные и песчаные грунты классифицируются по гранулометрическому составу и по степени влажности.

К крупнообломочным относятся грунты, у которых частицы диаметром более 2 мм составляют 50 % и более. Частицы песчаных грунтов имеют диаметр менее 2 мм. По ГОСТу [4], песчаные грунты подразделяются на: песок гравелистый, песок крупный, песок средней крупности, песок мелкий и песок пылеватый.

Вторым классификационным показателем для песчаных грунтов является коэффициент пористости, который характеризует плотность сложения. По плотности сложения различают пески плотные, средней плотности и рыхлые. По величине коэффициента пористости во мно гом можно судить и о прочности песчаного основания. При 0,5 e 0, песок является хорошим основанием, а при e > 0,7 основание в естественном состоянии обладает значительной сжимаемостью.

Третьим классификационным показателем крупнообломочных и песчаных грунтов является степень влажности Sr. По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты подразделяются на маловлажные (0 < Sr 0,5), влажные (0,5 < Sr 0,8) и насыщенные водой (0,8 < Sr 1).

Поэтому, если в основании залегают песчаные грунты, то их полное наименование определяется тремя классификационными пока зателями. Например, по результатам гранулометрического анализа песок отнесен к категории песка мелкого. Если теперь известно, что e = 0,6 и Sr =0,7, то полным наименованием будет: песок мелкий, плотный, влажный.

Нескальные основания, сложенные пылевато глинистыми грун тами (супеси, суглинки и глины), обладают большими специ фическими особенностями по сравнению с песчаными. Наличие органических веществ, солей, карбонатов, минералов монтморилло нита и каолинита в глинистых грунтах вызывает при замачивании явления просадки или набухания.

Пылевато глинистые грунты подразделяют по числу пластичности Ip, и по показателю текучести IL По числу пластичности различают следующие пылевато глинистые грунты: супеси (1 Ip 7), суглинки (7 < Ip 17) и глины (17 < Jp). Показатель текучести IL характеризует консистенцию глинистого грунта. По его величине можно косвенно определить и степень сжимаемости основания. Например, если в основании залегают глинистые грунты с показателем текучести IL0, то данный слой грунта обладает низкой сжимаемостью. Значение IL0, говорит о повышенной сжимаемости основания.

Наихудшим видом основания являются илы и заторфованные грунты. Лессовые грунты в маловлажном состоянии могут служить хорошим основанием. Однако при замачивании водой они дают просадку.

Ф.1.4. Чем различаются естественные и искусственные основания?

Основание, сложенное грунтами в естественном неизмененном природном состоянии, называется естественным основанием. Если естественное основание подвергалось каким либо воздействиям с целью улучшения прочностных и деформационных свойств, то оно называется искусственным основанием.

Плотные песчаные грунты и пески средней плотности, глинистые твердые, полутвердые, тугопластичные грунты являются хорошим основанием и используются в качестве оснований обычно в естественном состоянии. Рыхлые пески, лессовые и набухающие грунты, илы и заторфованные грунты при определенных условиях проявляют специфические свойства, которые ухудшают их естест венные (природные) прочностные и деформационные показатели. По этому подобные грунты искусственно улучшаются рядом способов:

поверхностным и глубинным уплотнением, химическим закреплением, обжигом и т.д.

Ф.1.5. Для чего устраиваются фундаменты?

Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий или сооружений, а также оборудования на грунты основания.

Фундамент служит для более равномерного распределения нагрузок по поверхности основания и передачи подошвой фундамента на грунты таких давлений, которые не вызовут их разрушения или недопустимых деформаций.

Ф.1.6. Какие требования предъявляют к проектированию оснований и фундаментов?

При проектировании обязательно соблюдаются требования нор мативных документов (СП, СНиП) [12–22]. В нормах имеются поло жения, обязательные и рекомендательные. При проектировании сле дует обеспечить достижение прочности зданий или сооружений, а также удовлетворение технологических требований к ним, возмож ность их нормальной эксплуатации. Экономические требования сводятся к минимальной стоимости конструкций, устройства основа ний, последующих ремонтных работ, а также к сокращению сроков строительства.

Ф.1.7. Какова последовательность проектирования оснований и фундаментов?

Рекомендуется такая последовательность:

1. Оценить результаты инженерно геологических изысканий, их достаточность для проектируемого объекта и качество.

2. Провести анализ проектируемого здания или сооружения с точки зрения его чувствительности к деформациям, особенно нерав номерным, и его общей устойчивости.

3. Оценить местоположение застройки с учетом особенностей рельефа местности, расположенных рядом других зданий и сооруже ний существующих и проектируемых, наличия подземных комму никаций, транспортного подъезда.

4. Произвести определение действующих от конструкций и обору дования на основание нагрузок вертикальных, в том числе снеговых и горизонтальных (ветровых, а также возникающих вследствие перепада уровней при осуществлении заглубленных подвальных этажей, уклона рельефа и т.д.) и особых (например, в сейсмоопасных районах или возможного нарушения технологического процесса).

5. Наметить возможные варианты фундаментов два, три, которые в дальнейшем будут разрабатываться.

6. Произвести необходимые расчеты в соответствии с требованиями действующих норм (СНиП, СП).

7. Оценить стоимость разрабатываемых вариантов фундаментов и произвести их технико экономическое сопоставление.

Ф.1.8. Какие обстоятельства следует особо учитывать при выборе основания для здания или сооружения?

Особо следует учитывать наличие в основании линз слабых грун тов, резкого выклинивания пластов, карстовых полостей, сбросов, а также посторонних коммуникаций, старых горных выработок и др.

Необходимо учитывать наличие существующих рядом зданий и сооружений, их подземный контур – глубину закладки – и типы их фундаментов, время застройки в прошлом, состояние этих зданий и сооружений. Это особенно важно в условиях плотной городской застройки. Следует также учитывать рельеф местности, наличие оползневых явлений.

Ф.1.9. Какие можно предложить конкретные типы фундаментов и оснований?

Обычно сначала для зданий и сооружений рассматривается воз можность применения фундаментов мелкого заложения, то есть фундаментов, устраиваемых в открытых котлованах. Затем рас сматриваются свайные фундаменты и фундаменты глубокого зало жения. Если не удается воспользоваться грунтами в основаниях в их естественном состоянии, то есть без улучшения строительных свойств, то прибегают к устройству искусственных оснований благодаря уплотнению грунтов, водопонижению, закреплению и др.

Ф.1.10. Какой процент от стоимости строительства обычно составляет стоимость фундаментов?

Стоимость фундаментов в среднем составляет 10 12 % от стоимости строительства, однако при сложных инженерно геологических условиях она может быть существенно большей и достигать даже 30 % и более. Поэтому необходимо производить рациональное проекти рование оснований и фундаментов с рассмотрением возможных вариантов и их последующим технико экономическим сопостав лением. Следует принимать во внимание не только конструкцию фун даментов, но и технологию производства работ по их возведению.

Ф.1.11. Что служит основным стоимостным критерием при сопоставлении вариантов?

Основным стоимостным критерием при выборе проектного реше ния является показатель приведенных затрат. В него входят себесто имость устройства фундаментов, накладные расходы и дополнитель ные затраты, если работы ведутся в зимнее время, а также капитальные вложения в производственные фонды строительной индустрии.

Натуральными показателями являются суммарные затраты труда и показатель расхода материалов.

Ф.1.12. Что может служить сопоставленной единицей при технико экономическом сравнении вариантов решений оснований и фундаментов?

Технико экономические показатели вариантов целесообразно определять для оснований и фундаментов в целом. Однако для сопоставления можно принять также 1 м2 общей площади сооружения или на один столбчатый фундамент, если фундаменты однотипные и несут примерно равную нагрузку, на один погонный метр длины ленточного фундамента.

Ф.2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

Ф.2.1. Кто проводит инженерно геологические изыскания?

Обычно инженерно геологические изыскания проводят специали зированные организации, имеющие лицензии на проведение данного вида работ. В России основной объем изысканий выполняют тресты инженерно строительных изысканий (ТИСИЗ).

Ф.2.2. Какие изыскания проводятся на строительной площадке до проектирования и строительства будущего здания или сооружения?

На каждой строительной площадке проводятся инженерно геоло гические изыскания, которые включают комплекс работ, выполняемых для определения исходных данных, необходимых для проектирования оснований зданий и сооружений.

Проведение изысканий регламентируется нормативными доку ментами и стандартами.

Ф.2.3. Что включает полный комплекс изыскательских работ?

Он обычно включает:

проходку скважин и отбор образцов грунта с каждого выде ленного инженерно геологического элемента;

проведение лабораторных испытаний образцов грунта с целью определения физико механических характеристик;

определение положения и состава грунтовых вод;

проведение штамповых испытаний грунтов непосредственно на строительной площадке;

статическое и динамическое зондирование грунтов;

пробные испытания грунта с забивкой свай.

Ф.2.4. От чего зависит объем инженерно геологических изысканий?

Объем инженерно геологических работ определяется степенью изученности района и сложности инженерно геологических условий строительной площадки.

В зависимости от категории сложности и вида сооружений в пределах пятна застройки должно быть разработано от 2 до 5 горных выработок (скважины, шурфы, дудки).

Ф.2.5. Как определить глубину исследования грунтов при инженерно геологических изысканиях на стадии технического проекта?

Глубина проходки назначается исходя из расчетной толщины сжимаемой толщи с увеличением на 1 2 м. В том случае, если исследования проводятся на стадии эскизного проекта и не известна толщина сжимаемой толщи, допускается назначать глубину проходки в зависимости от типа фундаментов и нагрузок на них.

Для ленточных и отдельно стоящих фундаментов при нагрузках от 100 до 2000 кН/м и от 500 до 5000 кН, соответственно, глубина проходки ниже подошвы фундамента изменяется от 4 до 26 м. Более просто принять глубину проходки исходя из расчета 3 м на один этаж здания. Для свайных фундаментов глубины проходки выработок должны назначаться не менее чем на 5 м ниже проектируемой глубины погружения свай, поскольку считается, что зона сжатия у свайных фундаментов начинается от острия свай.

Ф.2.6. Какое количество инженерно геологических выработок обычно рекомендуется и какое расстояние между ними назначается?

Результаты исследований должны полностью охарактеризовать пятно застройки, то есть основание будущего сооружения и в плане и по глубине. Поскольку при проектировании размещения сооружения на местности возможны его подвижка и переориентация, то пред варительные изыскания должны охватывать большую площадь, чем площадь самого сооружения. Горными выработками, характе ризующими строение основания, являются обычно скважины и шурфы. Изыскания должны дать сведения об инженерно геоло гическом строении основания, методологическом составе толщи, наличии неблагоприятных грунтов (просадочных, карсты и др.), гидрогеологических условиях. Эти данные должны позволить по строить разрезы массива основания, из которых будут видны характер напластования, выклинивание отдельных слоев, наличие линз.

Минимальное количество выработок обычно 3 5, а в случаях сложных грунтовых условий их должно быть больше, так как необходимо иметь представление о пространственном строении основания. Максималь ное расстояние при сравнительно пологой кровле пластов и их однородности 20 30 м. Глубина бурения должна не менее чем на 3 5 м превышать сжимаемую толщу, определяющую контур основания.

Однако в случае наличия в нижней части основания слабых малопрочных грунтов следует производить более глубокое бурение.

Устанавливается наличие водоносных горизонтов. Решаются вопросы:

являются ли грунтовые воды напорными и какова в этом случае величина напора.

Детальность инженерно геологической разведки зависит также от класса возводящихся зданий и сооружений. В каждой из скважин производится отбор образцов для определения физико механических характеристик грунтов.

Ф.2.7. Какие основные характеристики грунта пределяются при инженерно геологических изысканиях?

Физические, прочностные и деформационные характеристики определяются во всех случаях. Фильтрационные свойства грунта, характеризуемые коэффициентом фильтрации, определяются в том случае, если основание сложено водонасыщенными глинистыми грунтами с незавершенной консолидацией. Этот показатель исполь зуется при расчете осадки фундаментов во времени, для оценки скорости уплотнения грунтовой толщи, а также при расчетах дренажных и водопонизительных систем.

В том случае если на фундамент действуют динамические нагрузки, приходится определять дополнительный показатель, называемый коэффициентом упругого равномерного сжатия Cz (кН/м3).

При определении деформаций ползучести грунта основания, сло женного тугопластичными, полутвердыми и твердыми глинистыми грунтами, применяется показатель длительной прочности грунта (кН/м2), а также коэффициенты затухания ползучести и вторичной консолидации (МПа).

При более сложных расчетах с использованием нелинейных опре деляющих уравнений вычисляются модуль сдвига G (кН/м2), модуль объемной деформации K (кН/м2), а также ряд других параметров.

Ф.2.8. Какие дополнительные характеристики определяются для структурно неустойчивых грунтов?

При проектировании фундаментов на просадочных, набухающих и заторфованных грунтах при изысканиях должны определяться дополнительные характеристики:

для просадочных грунтов – относительная просадочность sl и начальное просадочное давление psl (кН/м2);

для набухающих грунтов – относительное набухание sw, отно сительная усадка sh, давление набухания psl (кН/м2);

для заторфованных грунтов и торфа – коэффициент консо лидации cv (cм2/год); для них также устанавливается изменение прочностных характеристик с учетом фактора времени.

Ф.2.9. Какие методы используются для определения физико механических свойств грунтов?

Определение физико механических свойств грунтов производится лабораторными и полевыми методами.

Физические характеристики грунтов определяются лабораторными методами. В некоторых случаях используются полевые методы иссле дований с помощью зондирования и радиоактивного каротажа.

Прочностные характеристики грунтов устанавливаются лабо раторными или полевыми методами. Для этой цели в лабораторных условиях применяются сдвиговые приборы и стабилометр. В полевых условиях сопротивление сдвигу слабых грунтов определяется методом вращательного среза в скважинах (см.рис.М.11.20). Для оценки угла внутреннего трения песчаных грунтов используют статическое и динамическое зондирование (рис.Ф.2.9,а).

Рис.Ф.2.9. Установки для определения прочностных свойств:

а – установка для статического зондирования:

1 – траверса; 2 – винтовая свая; 3 – наконечник;

4 – гидравлический домкрат;

1 – рабочая камера; 2 – предохраняющая камера; 3 – шланг;

4 – измерительное устройство; 5 – баллон со сжатым воздухом Прочностные свойства крупнообломочных грунтов, образцы кото рых практически невозможно отобрать с ненарушенной структурой, определяются путем среза грунта.

Деформационные свойства грунтов определяются в лабораторных условиях с использованием компрессионных приборов и стаби лометров (см.ч.I), а в полевых условиях – помощью прессиометра (рис.Ф.2.9,б) и штамповых испытаний.

Ф.2.10. Что представляет собой инженерно геологический разрез?

Инженерно геологический разрез представляет собой чертеж, на котором изображены горные выработки (скважины, шурфы), выде лены слои грунта, показана их мощность, нанесен ряд показателей их свойств, отмечен уровень грунтовых вод (рис.Ф.2.10).

................................................................................................................................

.........................................................................................

...............................................................................................................

............................................................................................................................

.........................................................................

Ф.2.11. Как определяются прочностные характеристики грунтов в полевых условиях?

В полевых условиях прочностные характеристики грунтов – угол внутреннего трения и удельное сцепление – определяются методом пенетрации, статического и динамического зондирования, лопастного сдвига и среза целикового массива грунта.

Ф.2.12. В чем отличие пенетрационных испытаний грунтов от метода статического зондирования?

Различие пенетрации и зондирования состоит в следующем.

Погружение наконечника на глубину, меньшую высоты наконечника, называется пенетрацией. Метод испытания грунтов при погружении наконечника на глубину, превышающую высоту наконечника, называется зондированием.

Ф.2.13. Для чего проводятся статическое и динамическое зонди рование?

Применение методов пенетрационных испытаний, статического и динамического зондирования позволяет определить:

характер залегания грунтов различного литологического состава, положение границ между слоями, включая оценку степени одно родности грунтов и степени плотности песчаных грунтов;