1.4.2. Физические свойства грунтов

Классификация песчаных грунтов по плотности сложения

1.4.3. Пределы и число пластичности

Классификация глинистых грунтов

Контрольные вопросы

Раздел 2. Механические свойства грунтов

2.1. Общие положения

2.2. Деформируемость грунтов

2.2.1. Виды деформаций в грунтах

2.2.2. Фазы напряженного состояния грунта

2.3. Сжимаемость грунтов

2.3.1. Коэффициенты бокового расширения и бокового давления грунта

2.3.2. Компрессионное сжатие

2.3.3. Компрессионные свойства лессовых грунтов

2.3.4. Определение модуля деформации грунта

2.4. Водопроницаемость грунтов

2.5. Гидродинамическое давление воды

2.6. Прочность грунтов

2.6.1. Факторы, влияющие на сопротивление грунтов сдвигу

2.6.2. Нормативные и расчетные деформационные и прочностные характеристики грунтов

Контрольные вопросы

Раздел 3. Распределение напряжений в грунтовом массиве

3.1. Общие положения

3.2. Определение напряжений в массиве грунта от сосредоточенной силы

Значения коэффициента k

Значения коэффициентов и

3.3. Распределение напряжений в основании в случае плоской задачи. Задача Фламана

3.4. Напряжения в основаниях дорожных насыпей

3.5. Распределение напряжений от собственного веса грунта

Контрольные вопросы

Раздел 4. Определение конечных осадок сооружений

4.1. Основные исходные положения

4.2. Расчёты осадок сооружений

4.2.1. Метод общих упругих деформаций

4.2.2. Осадка слоя грунта при сплошной нагрузке

4.2.3. Расчет осадки оснований фундаментов методом

4.2.4. Осадка грунтового основания во времени

Значения n для определения осадки St при различных вариантах эпюр уплотняющих напряжений

Контрольные вопросы

Раздел 5. Теория предельного напряженного состояния грунта

5.1. Плоская задача теории предельного равновесия

5.2. Критические нагрузки на грунты основания

5.3. Предельная нагрузка на грунтовое основание

Значения коэффициентов несущей способности для случая действия наклонной полосообразной нагрузки

Значения коэффициентов несущей способности с учетом собственного веса грунта и уплотненного ядра для полосообразной нагрузки

5.4. Устойчивость грунтовых откосов

5.4.1. Устойчивость откоса идеально сыпучего грунта (; с = 0)

5.4.2. Расчет устойчивости откосов методом круглоцилиндрических

5.5. Давление грунтов на подпорные стенки

5.5.1. Аналитический метод определения давления грунта

5.5.2. Давление грунтов на подземные трубопроводы

Контрольные вопросы

Раздел 6. Специальные вопросы механики грунтов

6.1. Мерзлые грунты

6.2. Слабые глинистые водонасыщенные и заторфованные грунты

6.3. Геосинтетические материалы для армирования грунтов

6 – Армогрунтовая конструкция; 7 – переходные плиты; 8 – лицевая стенка армо-грунтовой конструкции

Контрольные вопросы

Основные условные обозначения

Библиографический список Основной

Дополнительный

Оглавление

Раздел 1. Физическая природа и физические

Раздел 2. Механические свойства грунтов……...………………...….20

Раздел 3. Распределение напряжений

Раздел 4. Определение конечных осадок

Раздел 5. Теория предельного

Раздел 6. Специальные вопросы

644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

Значения αн для определения сжимающих напряжений в основании насыпи по ее оси

4.2.3. Расчет осадки оснований фундаментов методом

послойного суммирования

Этот метод рекомендован СНиП 2.02.01 - 83 * при расчетах осадок фундаментов оснований. В основу метода положены следующие допущения: осадка основания определяется по вертикальной центральной оси подошвы фундамента; при определении напряжений грунт рассматривается как линейно деформируемое тело (неоднородность основания учитывается при определении деформаций каждого слоя грунта); осадка обуславливается только действием дополнительных вертикальных напряжений ; фундаменты не обладают жесткостью; деформации рассматриваются только в пределах сжимаемой толщиH сж , определяемой условием

, (4.11)

где

– вертикальные дополнительные напряжения;

– вертикальные природные напряжения (рис. 4.6).

определяется среднее давление на основание по подошве фундамента

,

где

– площадь подошвы фундамента;

– природное давление грунта на уровне подошвы фундамента.

Вследствие постепенного изменения напряжений по глубине основания его толщу можно разбить на ряд слоев так, чтобы в пределах каждого слоя грунт был однородным; при этом толщина каждого слоя должна составлять не более 0,4b и напряжение

вычисляют от нагрузки на границе слоев по формуле

, (4.12)

вкоторойопределяют по табл. 3.2 и строят эпюру этих напряжений. Затем строят эпюру напряжений природного давления грунта по оси фундамента

, (4.13)

здесь и– удельный вес грунта и толщина каждого слоя.

Нижняя граница сжимаемой толщи BC определяется графически путем наложения на эпюру

эпюры

, уменьшенной в пять раз.

Общая осадка фундамента определяется путем суммирования в пределах сжимаемой толщи осадок отдельных слоев:

, (4.14)

где = 0,8;n – число слоев в пределах сжимаемой толщи; – толщинаi -го слоя грунта; – модуль деформацииi -го слоя грунта.

4.2.4. Осадка грунтового основания во времени

Если в основании фундамента залегают водонасыщенные глинистые грунты, осадка может развиваться в течение длительного времени. Длительный процесс развития осадок связан с очень малой скоростью фильтрации воды в глинистых грунтах (коэффициент фильтрации порядка 10 -7 …10 -10 см/с) и медленным уплотнением водонасыщенных грунтов.

Напомним, что к водонасыщенным относятся грунты с коэффициентом водонасыщения > 0,8. Современные методы прогноза развития деформаций грунтов во времени основаны на теории фильтрационной консолидации.

Одномерная задача теории фильтрационной консолидации грунтов, впервые сформулированная проф. К.Терцаги (1924 г.), получила дальнейшее развитие в трудах профессоров Н.М.Герсеванова, В.А.Флорина, Н.А.Цытовича, Ю.К.Зарецкого и др.

В основу теории Терцаги-Герсеванова, разработанной для одномерной задачи консолидации однородного слоя грунта, положены следующие предпосылки и допущения:

1) грунт однородный и полностью водонасыщен;

2) нагрузка прикладывается мгновенно и в первый момент времени полностью передается на воду;

3) скорость осадки грунтового основания определяется скоростью отжатия воды из пор;

4) движение воды в порах грунта происходит в вертикальном направлении и подчиняется закону ламинарной фильтрации Дарси (2.17).

Рассмотрим решение одномерной задачи теории фильтрационной консолидации по Терцаги-Герсеванову, являющейся в настоящее время теоретической основой расчета осадок оснований во времени. Согласно указанным предпосылкам процесс осадок во времени под действием постоянной сплошной равномерно распределенной нагрузки в условиях односторонней фильтрации воды определяется законами фильтрации и уплотнения (2.9).

В начальный момент времени t 0 , сразу после приложения нагрузки, внешнее давление р полностью передается на поровую воду

, т.е.

, а давление на минеральную часть грунта

. Однако в следующие моменты времениt 1 ,t 2 ,…, t n давление в воде будет уменьшаться, а давление на минеральные частицы грунта увеличиваться, причем в любой момент времени

(4.15)

и в конце консолидации вся внешняя нагрузка будет восприниматься минеральными частицами грунта (

) (рис. 4.7).

Слой грунта толщиной h подстилается несжимаемым водонепроницаемым основанием. Нагрузка интенсивностью р воздействует на грунт через дренирующий слой. Следовательно, по мере осадки грунта вода из него будет отжиматься в одном направлении (вверх). По мере отжатия воды из пор грунт будет уплотняться (пористость уменьшаться). Расход воды dq , выдавливаемый из элементарного слоя dz на глубине z (рис. 4.7), будет равен уменьшению пористости грунта dn за промежуток времени dt , т.е.

. (4.16)

Знак минус указывает, что с увеличением расхода воды происходит уплотнение грунта и его пористость уменьшается. После ряда преобразований, используя законы ламинарной фильтрации и компрессии, уравнение (4.16) можно представить для одномерной задачи в виде дифференциального уравнения в частных производных

, (4.17)

где– коэффициент консолидации, величина которого зависит от свойств грунта,

, (4.18)

здесь

– коэффициент фильтрации;

– коэффициент сжимаемости грунта;e – коэффициент пористости; – удельный вес воды.

Решение уравнения (4.17) находится путем применения рядов Фурье (т.е. тригонометрических рядов) при следующих краевых условиях:

1) t = 0; = 0;

2) t = ∞; =р ;

где m – положительное целое число натурального ряда, m = 1,3,5,…, ∞;

–показатель консолидации, (4.20)

h – толщина слоя; t – время от момента загружения.

Если известно напряжение в слоеdz за время t от момента загружения, то осадка этого слоя следует из выражения (4.10):

.

Осадку слоя толщиной h за время t найдем, проинтегрировав полученное выражение от 0 до h :

В этом выражении часть перед интегралом представляет собой конечную осадку, а часть

может быть определена какстепень консолидации осадки U , равная отношению осадок нестабилизированной к конечной

, т.е.

. (4.21)

После интегрирования (4.21) получим

.

Величины U и N функционально связаны. В табл. 4.1 даны величины N для различных вариантов эпюр уплотняющих напряжений (рис. 4.8).

Вариант 0 соответствует уплотнению слоя грунта под действием сплошной нагрузки. Эпюра уплотняющих давлений имеет вид прямоугольника. Вариант 1 имеет место при уплотнении грунта под давлением собственного веса, вариант 2 – когда уплотняющее напряжение уменьшается с глубиной по закону треугольника.

Задаваясь различными значениями степени консолидации U , по табл. 4.1 определяем N и находим время для заданной степени консолидации:

. (4.22)

Под воздействием нагрузки от сооружения его основание деформируется и дает осадку, а в некоторых случаях - просадку.
Осадкой основания (или осадкой фундамента) называют вертикальное перемещение поверхности грунта под подошвой фундамента, связанное с передачей на основание нагрузки от сооружения.
Различают осадку основания равномерную и неравномерную. При равномерной осадке перемещения точек поверхности грунта под всей площадью фундамента одинаковы, а при неравномерной - неодинаковы. Равномерная осадка основания, как правило, не является опасной; неравномерная же осадка часто становится причиной нарушения условий нормальной эксплуатации сооружений, а иногда и их аварий.
Для уплотнения грунта под нагрузкой требуется определенное время, в течение которого наблюдается рост осадки основания. Осадку, соответствующую окончательному уплотнению грунта, называют полной, конечной или стабилизированной.
Большую быстро протекающую осадку, сопровождающуюся коренным изменением сложения грунта, называют просадкой. Просадка наблюдается, например, при выпирании грунта из-под подошвы фундамента и при замачивании макропористых грунтов под нагрузкой.

§ 22. Методы расчета осадки

Расчет осадки уплотнения ведется в предположении, что грунт подчиняется законам линейно деформируемой среды, когда деформации линейно зависят от давлений. Теоретически максимальное давление на грунт, при котором существует линейная зависимость, определяется отсутствием под подошвой фундамента пластических зон. Однако наблюдения за сооружениями показывают, что небольшое развитие зон пластических деформаций под гранями фундамента может быть допущено.
Для определения конечной осадки основания широко применяют метод послойного суммирования. При этом считают, что осадка основания происходит в результате уплотнения некоторой толщи грунта ограниченной толщины, называемой активной зоной. Нижнюю границу активной зоны принимают на той глубине da от подошвы фундамента, на которой дополнительное давление (под центром тяжести подошвы) от передаваемой фундаментом нагрузки составляет 20% бытового (природного) давления.

При фундаменте, расположенном на поверхности грунта, дополнительные давления рz, кПа, определяют по формуле (2.7), а при заглубленном в грунт фундаменте - по формуле
Рz=а(р0-рg), (4.1)
где а - коэффициент, принимаемый по табл. 2.1; р0 - нормальные напряжения по подошве фундамента, кПа; pg - бытовое давление на глубине заложения подошвы фундамента, кПа.
Устройство опор в русле реки вызывает стеснение русла и может приводить к интенсивному размыву грунта, в особенности у опор. В результате этого бытовое давление в грунте уменьшается. В формулу (4.1) подставляют бытовое давление, подсчитанное без учета размыва грунта, т. е. давление, которым грунт был обжат до возведения сооружения. Это связано с тем, что после разгрузки грунта деформации его при повторном нагружении сначала весьма малы; они начинают заметно возрастать, лишь когда напряжения в грунте достигнут величин, имевшихся до разгрузки.
Активную зону грунта разбивают на горизонтальные слои толщиной не более 0,4b, где b - наименьший размер фундамента в плане, м. Если в пределах активной зоны имеется напластование разных грунтов, то их границы принимают за границы выделенных слоев. Осадку s основания определяют суммированием деформаций отдельных слоев. Деформацию si м, каждого i-го слоя подсчитывают в предположении, что уплотнение грунта происходит в условиях отсутствия бокового расширения (в условиях компрессионного сжатия) при постоянном давлении рz кПа; последнее принимают равным среднему дополнительному давлению рг, кПа, из давлений, возникающих в точках под центром тяжести подошвы фундамента в пределах рассматриваемого слоя.
Используя формулу (1.29) для определения деформации грунта при компрессионном сжатии, можем написать:
si=eiti=(piβi/Ei)li (4.2)
где ei - относительная деформация грунта i- го слоя; ti - толщина i-го слоя грунта, м; βi - коэффициент, принимаемый по табл. 1.3
в зависимости от вида грунта i-го слоя; Ei - модуль деформации грунта i-го слоя, кПа, определяемый по формуле (1.28) на основе результатов испытаний образцов грунта на компрессионное сжатие.

Процессы проседания основания здания, которые характеризуются неравномерным проявлением, являются наиболее распространенным и часто проявляющимся дефектом фундаментов различного типа. Именно неравномерная осадка фундамента приводит к растрескиванию основания здания и его стен, а это может стать причиной возникновения самых неприятных последствий. Перекос здания является наиболее распространенным негативным проявлением такой просадки основания.

Осадка представляет собой вертикальное смещение фундамента, которое происходит в результате деформации грунтового слоя под подошвой. На данный момент существуют множество причин возникновения осадочных процессов в основании здания. Наиболее распространенной причиной можно назвать чрезмерную экономию материальных средств, касающейся как строительных операций, так и организации земляных работ (например, наем неквалифицированных рабочих). Из-за недостаточного финансирования строительных работ можно неправильно произвести расчет глубины закладывания фундамента в грунте. Если Вы уложили основание значительно выше нормы, то тогда такую ошибку практически невозможно будет исправить с помощью последующих ремонтных работ. Также причиной возникновения осадки можно назвать слишком большое количество грунтовых вод, которые протекают в области возведения здания и закладки фундамента. В этом случае от данной проблемы можно избиваться с помощью грамотного устройства эффективной , монтаж которой обычно производят на начальном этапе строительства дома. Если же оснащать участок дренажом с уже возведенным зданием, это привлечет некоторые трудности, решение которых потребует дополнительных расходов. Еще в этом случае на участке вокруг здания можно высадить деревья, которые быстро поглотят лишнюю жидкость за счет своей развитой корневой системы.

Дефекты основания могут возникнуть и из-за длительного эксплуатационного срока строения. Но чаще всего осадка деформированного фундамента проявляется вследствие возникновения дефектов его конструкции, которые возникают из-за некачественного подбора строительных материалов. Этот недостаток можно исправить лишь при помощи капитального ремонта, но и это не всегда помогает. Гарантированно исправить фундамент можно только после полной замены всего основания. Однако это можно сделать при помощи специальной техники, которая довольно дорогая.

Деформационные процессы фундамента также могут возникнуть в процессе надстройки лишних этажей по всей площади здания или на какой-либо ее части. Это проблему можно исправить насыщением почвы, находящейся непосредственно под основанием, а также на небольшом расстоянии от него, «цементным молоком».

Чтобы предотвратить оседание основания здания, следует предпринимать следующие действия. Прежде всего, нужно обеспечить фундаменту грамотную защиту от воздействия влаги. Для этого основание необходимо изолировать от контакта с жидкостью специальными материалами, которые обладают водонепроницаемыми свойствами. Наиболее дешевыми, доступными и практичными считаются битум и рубероид. Также можно изолировать основание от влаги с помощью таких качественных гидроизолирующих материалов, как «жидкое стекло» в сочетании с цементом. Также рекомендуется обустроить специальную вентиляционную систему, благодаря которой лишняя влага будет самостоятельно выпариваться. Для этого можно лишь обустроить дополнительные , которые изготавливаются в соответствии с надлежащей технологией устройства вентиляции основания.

Еще для предотвращения осадки фундамента следует произвести монтаж отмостков в наклонной области, идущих от основания, из бетона или асфальтового покрытия, а также устроить надежную и эффективную систему слива влаги с поверхности крыши. Следует отметить, что коэффициент просадки основания прямо пропорционален значению, которое составляет глубина промерзания почвы в данной местности. Так что необходимо тщательно разработать проект строительства, а также правильно подобрать материалы для строительных работ, тогда в результате получится надежное и долговечное здание, а вероятность, что произойдет осадка уложенного здания, сведется к минимуму.

Расчет осадки фундамента

Рассчитать осадку фундамента можно несколькими способами. Основным и самым проверенным способом определения конечной, полной осадки является метод суммирования осадок отдельных слоев. Для каждого из слоев необходимо определить свое значение степени деформации. Слои следует рассматривать в пределах определенной толщи грунта - в активной зоне, а деформации, которые происходят ниже этого уровня грунта, можно исключить. Метод суммирования осадок отдельных слоев можно использовать для определения любых осадок.

Также рассчитать осадку можно методом эквивалентного слоя, который позволяет определить осадку с учетом ограниченного бокового расширения. Эквивалентный слой - это такая толщина грунта, которая в условиях невозможности бокового расширения (при загруженности всей поверхности сплошной нагрузкой) дает осадку, которая равна по величине осадке фундамента, имеющего ограниченные размеры при нагрузке той же интенсивности. То есть, в этом случае пространственная задача расчета осадок может заменяться одномерной.

Предельно допустимые осадки фундаментов

На сегодняшний день отсутствуют убедительно обоснованная нормативная величина предельно допустимой дополнительной осадки зданий. Нормативные документы, как правило, не делают различия между первоначальной, полученной при строительстве, и дополнительной осадкой. Предельная средняя осадка кирпичного здания по документам составляет примерно 10-12 см.

Стоит отметить, что первоначальные осадки фундамента на однородном грунтовом основании равномерны по пятну застройки, поэтому даже при большой допустимой средней осадки (10-12 см), также удовлетворяются и требования в отношении неравномерности осадок. А, как известно, результатом неравномерности являются перекосы здания и возникновение трещин.

По стандартам, предельно допустимая осадка для зданий 1-ой категории технического состояния составляет 5 см, а для зданий 2-ой и 3-ей категории, уже имеющих деформации - 3 и 2 см.

Как показывают наблюдения, кирпичные здания 1-й и 2-й категории состояния при локальной дополнительной осадке 5 см могут получить серьезные повреждения. В стенах будут образовываться сквозные трещины, а при возникновении вертикальной трещины ее раскрытие сопоставимо с величиной осадки. Сдвиг плит сборных перекрытия при этом по площадкам опирания очень близок к предельному. В этом случае ремонт здания потребует выселения жильцов, выборочного усиления конструкции и восстановление внутреннего и наружного декора. При осадках 3 и 2 см потребуется ремонт меньшего объема. Так можно ли считать допустимой осадку фундамента 2-5 см? Конечно, если за критерий допустимости принимать отсутствие обрушения конструкций, и нельзя, если за критерий допустимости принимать отсутствие повреждений, которые требуют ремонта.