Критические нагрузки на грунты оснований. Прочность и устойчивость грунтовых массивов. Давление грунтов на ограждения

Эти выражения позволяют дать оценку напряженного состояния грунта, т.е. установить, находится ли грунт в допредельном или предельном состоянии, а, следовательно, на сколько устойчив массив.

Предельное состояние грунта соответствует точке в рис. 4.1а, где осадка S уходит в бесконечность, т.о. теория предельного равновесия исследует только напряженное состояние массива грунтов и не дает возможности определить развивающиеся в нем деформации.

4.1. Критические нагрузки на грунты основания. Фазы напряженного состояния грунтовых оснований

Рассмотрим график зависимости на рис. 4.1, а.

Для связного грунта начальный участок графика Оа будет почти горизонтальным, протяженность этого участка определится величиной структурной прочности грунт, а деформация имеет упругий характер.

При увеличении давления (участок аб ) осадка возрастает, развивается процесс уплотнения за счёт уменьшения пористости грунта. Зависимость близка к линейной, осадки стремятся к постоянной величине (4.1, б). Ни в одной точке основания не формируется предельное состояние. Наибольшее напряжение, ограничивающее этот участок, называется начальной критической нагрузкой p нач кр. , а изменение нагрузки от 0 до p нач кр. характеризует фазу уплотнения грунта .

При изменении давления под подошвой фундамента от 0 до p нач кр. ни в одной точке основания не возникает предельное состояние, т.е. происходит только уплотнение грунта, что абсолютно безопасно для основания.

При дальнейшем увеличении нагрузки (участок бв рис.4.1, а) в точках, расположенных под краями фундамента, касательные напряжения по некоторым площадкам становятся равными их предельным значениям. По мере возрастания нагрузки эти точки объединяются в зоны, размеры которых увеличиваются. Возникают сдвиговые деформации, имеющие пластический характер. График зависимости всё больше отклоняется от линейного. Участок бв называют фазой сдвигов . Концу этой фазы соответствует р и , называемая предельной критической нагрузкой, при которой в основании образуются замкнутые области предельного равновесия, и происходит потеря устойчивости грунтов, т.е. полное исчерпание несущей способности.

В зависимости от глубины заложения подошвы фундамента d / b очертания областей предельного равновесия имеют различный характер (рис. 4.2).

Нагрузки, соответствующие p нач кр. и р и называют критическими нагрузками, их определяют методами теории предельного равновесия.

Начальная критическая нагрузка соответствует случаю, когда в основании под подошвой фундамента в единственной точке под гранью фундамента возникает предельное состояние.

Выберем в основании точку М (рис. 4.3) и определим такое контактное напряжение р , при котором в этой точке возникнет предельное напряженное состояние.

В модели линейно-деформируемой среды полные напряжения в точке М определятся как

Запишем соотношение для глубины самой нижней точки, в которой возможно предельное состояние от подошвы фундамента.

По определению при p нач.кр z max =0. Тогда в единственной точке основания под гранью фундамента будет выполняться условие предельного равновесия:

Фундамент, спроектированный так, что напряжение под его подошвой не превышает начальной критической нагрузки (p p нач.кр.), будет находиться в совершенно безопасном состоянии. Однако, как показала практика, грунты основания при этом будут обладать значительным резервом несущей способности.

4.1.2. Нормативное сопротивление и расчетное давление

Если допустить под подошвой центрально нагруженного фундамента шириной b развитие зон предельного равновесия на глубину , то несущая способность основания остается обеспеченной. При этом осадки во времени затухают и стремятся к постоянной величине, а зависимость оказывается достаточно близкой к линейной. Следовательно, при этих условиях для расчётов деформации основания можно использовать формулы теории линейного деформирования грунтов.

Нормативное сопротивление грунта основания R н соответствует наибольшему среднему сжимающему напряжению под подошвой фундамента при котором по подошве фундамента допускается развития областей предельного состояния на глубину равную b /4 .

здесь M γ , M q , M c – некоторые функции от угла φ.

Значения этих коэффициентов приведены в СНиП 2.02.01-83*.

Дальнейшие исследования позволили еще дальше отодвинуть практический предел среднего напряжения под подошвой фундамента, где так же допустим расчет осадок с учетом линейной деформации грунтов оснований. Эта величина, согласно СНиП 2.02.01-83*, получила название расчетного сопротивления грунта R (4.11).

В этом случае формула (4.9) имеет несколько более сложный вид (учет подвальных помещений, учет неоднородности грунта и т.п.) и будет рассмотрена в курсе «Основания и фундаменты».

4.1.3. Предельная критическая нагрузка

Решением этой задачи занимались Л. Прандль, К. Терцачи, В. В. Соколовский, М. В. Малышев.

На рис. 4.3. представлена одна (левая) область предельного равновесия и два «семейства» линий скольжении, которые образуют ромбы скольжения с определенными углами наклона линий.

Наиболее полное решение этой задачи получено в 1952 году В.В.Соколовским.

где N γ , N q , N c = f (φ , δ ) – затабулированные безразмерные коэффициенты.

Приведенные выше решения справедливы при относительно небольших глубинах заложения фундаментов и однородном строении основания, поэтому в практических расчетах обычно используют инженерные способы, в той или иной мере учитывающие строгие решения теории предельного равновесия.

4.2. Практические способы расчета несущей способности и устойчивости оснований

Принципы расчета оснований фундаментов по I предельному состоянию (по прочности и несущей способности грунтов).

Согласно СНиП 2.02.01-83* несущая способность основания считается обеспеченной при выполнении условия:

F – равнодействующая расчетной силы (нагрузки), приложенной к основанию;

F u – сила предельного сопротивления (равнодействующая предельной нагрузки);

γ с – коэффициент условий работы, зависящий от вида грунта.

γ n – коэффициент надежности по назначению сооружения.

4.3. Устойчивость откосов и склонов

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь. Откосы образуются при возведении различного рода насыпей (дамбы, земляные плотины и т.д.) и выемок (котлованы, траншеи, каналы и т.п.). Склоном называется откос, образованный природным путём и ограничивающий массив грунта естественного сложения.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

Устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному;

Увеличение внешней нагрузки (возведение сооружений, складирование материалов на откос или вблизи его бровки);

Изменение внутренних сил (изменение удельного веса грунта при изменении его влажности);

Неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта или снижение его сопротивления сдвигу за счёт повышения влажности и др. причин;

Проявление гидродинамического давления, сейсмических сил, различного рода динамических воздействий (движение транспорта, забивка свай и т.п.).

4.3.1. Понятие о коэффициенте запаса устойчивости откосов и склонов

Коэффициент устойчивости часто принимается в виде:

, (4.13)

где φ, с – расчетные значения характеристик сопротивления сдвигу грунта, принятые в проекте; φ’, с’ – то же, соответствующие предельному состоянию откоса или склона.

Устойчивость откоса или склона считается обеспеченной, если, где =1,1…1,3 - нормативный коэффициент устойчивости.

Группы методов используемых для расчетов устойчивости склонов и откосов:

Элементарные решения;

Строгие решения;

Инженерные методы;

Численные методы.

При этом анализируются два типа задач:

1). Оценка устойчивости откоса или склона заданной крутизны

2). Определение оптимальной крутизны откоса или склона при заданном .

4.4. Простейшие методы расчетов устойчивости

4.4.1. Устойчивость откосов в идеально сыпучих грунтах (ϕ ≠0; с=0)

Имеется откос с углом заложения α , при заданном φ для песка, слагающего откос (рис.4.4, а). Рассмотрим равновесие частицы, свободно лежащей на поверхности откоса: т.к. грунт обладает только внутренним трением, то устойчивость будет обеспечена, если T≤T’.

Задавшись весом частицы P и учитывая, что коэффициент внутреннего трения грунтов , получим;

при α=φ в идеально сыпучих грунтах угол естественного откоса – α равен углу внутреннего трения грунта.

4.4.2. Учет влияния фильтрационных сил

Если уровень подземных вод находится выше подошвы откоса, возникает фильтрационный поток, выходящий на его поверхность, что приводит к снижению устойчивости откоса.

В этом случае при рассмотрении равновесия частицы необходимо добавить гидродинамическую составляющую D.

Гидравлический градиент в точке выхода потока равен:

γ w – удельный вес воды;

n – пористость.

Учитывая, что вес единицы объема грунта P =γV , где V =1.

Уравнение предельного состояния запишется как:

Угол заложения откоса при заданном нормативном коэффициенте устойчивости:

4.4.3. Устойчивость вертикального откоса в идеально связных грунтах (ϕ=0; с≠0)

Если высота откоса, сложенного связными грунтами, не превышает предельного значения h 0 , то связный грунт может держать вертикальный откос.

Наиболее неблагоприятное напряженное состояние возникает у подошвы откоса в т.А (рис.4.1, в) Именно здесь начинает формироваться состояние предельного равновесия.

Максимальное главное напряжение в этой точке равно природному, т.е. . Поскольку откос ограничен свободной вертикальной поверхностью, минимальное главное напряжение в т.А равно нулю, т.е. .

Условие предельного равновесия имеет вид:

Учитывая, что здесь φ=0 (по условию задачи), а также подставляя сюда σ 1 и σ 3 , после преобразования будем иметь: и

Предполагается, что потеря устойчивости откоса (склона) может произойти в результате вращения отсека грунтового массива относительно некоторого центра О (рис. 4.5, а).

Суть метода заключается в анализе устойчивости склона против сдвига по ряду возможных поверхностей скольжения, представленных дугой окружности с радиусом r и центром в т. О .

Отсек грунтового массива, ограниченный свободной поверхностью и поверхностью скольжения, разбивается вертикальными линиями на n элементов таким образом, чтобы можно было принять основание каждого отсека плоским, а прочностные характеристики постоянными.

Смещающийся массив рассматривается как недеформируемый отсек, все точки которого участвуют в общем движении.

Обычно проводится серия таких расчетов при различных положениях центров вращения и значениях r.

Чаще всего наиболее опасная поверхность скольжения проходит через нижнюю точку откоса (склона). Кроме слабых грунтов с минимальными φ и с .

4.5.2. Мероприятия по повышению устойчивости откосов и склонов

Одним из наиболее эффективных способов повышения устойчивости откосов и склонов является их выполаживание или создание уступчатого профиля с образованием горизонтальных площадок (берм) по высоте откоса.

При относительно небольшой высоте откоса эффективна пригрузка подошвы в его низовой части или устройство подпорной стенки, поддерживающей откос. Закрепление поверхности откоса может быть осуществлено мощением камнем, одерновкой, укладкой бетонных плит.

Важнейшим мероприятием является регулирование гидрогеологического режима откоса или склона. Устройство канав для перехватывания поверхностных вод, отвод воды с берм, устройство дренажа.

Конструктивные мероприятия типа прорезания потенциально неустойчивого массива грунтов системой забивных или набивных свай, анкерное закрепление во взаимодействии с подпорными стенками или свайными конструкциями.

4.6. Понятия о взаимодействии грунтов с ограждающими конструкциями (давление покоя, активное и пассивное давление)

Ограждающие конструкции предназначены для удерживания от обрушения находящихся за ними грунтовых массивов. К таким конструкциям относится подпорная стенка, а также стены подвалов и заглубленных частей здания, стены подземных сооружений и т.п. Различают массивные (или гравитационные) и тонкостенные подпорные стенки (рис. 4.6). По характеру работы подразделяются на жесткие и гибкие (шпунтовые стенки).

Коэф. бокового давления; ν – коэф. Пуассона.

При смещении стенки под действием давления в сторону от засыпки на величину u a (рис.4.7, а) в грунте засыпки формируется область обрушения грунта, граница которой называется поверхностью скольжения, а сама область – призмой обрушения. Давление, передаваемое призмой обрушения на грань стенки, называют активным давлением , а его результирующую обозначают Е а.

При смещении стенки в сторону грунта под действием каких-либо сил в засыпке также образуются поверхности скольжения, при величине смещения +u п формируется призма выпирания грунта (рис.4.7, в). При этом реакция грунта достигает максимального значения и соответствует пассивному давлению (отпору) грунта, результирующую которого обозначают Е п.

4.6.1. Определение активного давления на вертикальную грань стенки для сыпучего грунта и связного грунта, учёт пригрузки на поверхности засыпки E

Значения ординаты пассивного давления на глубине z от поверхности засыпки при начале координат в точке 0’:

При одной и той же глубине от поверхности засыпки ордината эпюры пассивного давления существенно больше, чем ордината эпюры активного давления. Ширина призмы выпирания l ’ =h tg(45°+ φ/2).

Величину первой нагрузки назовем начальной критической нагрузкой, еще совершенно безопасной в основаниях сооруж-ий, т.к. до ее достижения грунт всегда будет находиться в фазе уплотнения.

Рассмотрим действие равн-ой распред-ой нагрузки р на полосе шир.b при наличии боковой нагрузки.q=γh , где γ -плотность грунта, h -глубина заложения наруж.поверх-ти. Верт-е сжимающие напряж.(давление) от собст-го веса гр.при гориз-ой ограничивающей поверхности σ 1гр =γ (h+z), z -глубина расположения рассмат-ой точки ниже плоскости приложения нагрузки. Задача заключается в определении такой величины нагр.нач Ркр, при которой зоны сдвига (зоны придельного равновесия) только зарождается под нагр-ой поверхностью. Т.К.при полосообразной нагрузке касательные напряжения будут наибольшими у краев нагр,то естест-но ожидать в этих местах при возрост-и нарг.зараждение зон равновес-я. Примем условие предельного равнов-я. σ 1 - σ 2 =2sinφ(((σ 1 + σ 2)/2+p e) Найдем главные напряжения с учётом действия собст веса гр.как сплош-ой нагр-и:

σ 1 =(p-γh)*(α+sinα)/π+γ (h+r)

σ 2 =(p-γh)*(α-sinα)/π+γ (h+z).

Подставим выражения σ 1 и σ 2 в условие предель-го равнов-я и принимаем во внимание p e =c ctqφ,получим: (p-γh)*sinα /π - sinφ((p-γh)/π*α+γh+γz)= c ctqφ . Получ выраж. можно расмат. как Ур-е гранич-ой области предельного равновес-я, z-как ордината этой обл.z= (p-γh) *((cosα/ sinφ)-α) /πγ -c/γ ctqφ-h. Найдем z максим-ое, dz/dα= (p-γ h) *((cosα/ sinφ)-1) /πγ =0. Cosα= sinφ или α=π/2-φ, sin(π/2-φ)= cosφ.Подстав получ знач, pкр=π/ ctqφ+φ-π/2(γ zмак+yh+ c ctqφ)+ γ h.Нормати-ое давлен на гр.R такое давл,при котором под краями фундам-та зона предельного равнов-я не распр-ся на глубине, больше z мак=b/4.b-ширина фунд-та.Если совершенно не допускать ни в одной точке развития зон предельного равн-я под подошвой фунд-та,то следует положить в уравнение zмак=0.Называя наибольшее давление, при котором ни в одной точки грунта не будет зон предел-го равно-я Начальным критическим давлением на грунт начРкр. начРкр=π(γh+ c ctqφ)/ctqφ+φ-π/2 .Это и есть формула для начальной критической нагрузки на грунт.

Начальным критическим давлением на основание называется то значение давления, при котором в грунте основания возникают области предельного напряженного состояния. При давлениях меньших начальных критических значений во всех точках основания напряженные состояния допредельные, что совершенно безопасно для оснований сооружений. В этом случае до достижения начального критического давления грунт находится в фазе уплотнения и подход к ее определению демонстрируется для полосовой нагрузки на грунт.

Для нахождения начального критического давления значения главных напряжений σ1 и σ3 определяются с учетом приложенной нагрузки Р = Р0- q и соответственно веса грунта.

Вертикальное сжимающее напряжение (давление) от собственного веса грунта в точке М (см. рис. 8.5,в), лежащей на глубине z от подошвы фундамента, определяется из выражения

Грунты основания испытывают два вида давления:

· бытовое sб, возникающее в грунтах под влиянием веса вышележащих слоев;

· дополнительное s, возникающее под влиянием нагрузок от фундаментов.

В общем случае ординаты эпюры давления под подошвой жесткого фундамента, при действии вертикальной нагрузки, определяются по формуле:

Если на фундамент действует, кроме вертикальной, горизонтальная нагрузка или опрокидывающий момент, то в этом случае находят опрокидывающий момент, создаваемый горизонтальной нагрузкой, а формула (6) запишется в виде:

Рис. Схема к расчету давлений под подошвой жестких фундаментов.

Рис. Эпюры давления грунтов под подошвой:

а–при глинистых грунтах; б–при песчаных грунтах; в–при внецентренной нагрузке, когда е < b/6; г–при внецентренной нагрузке, когда е = b/6; д–при внецентренной нагрузке, когда е > b/6.

по мере загружения фундамента наблюдаются две критические нагрузки: нагрузка, соответствующая началу возникновения в грунте зон сдвига и окончания фазы уплотнения, и нагрузка, при которой под нагруженным фундаментом сформировываются сплошные области предельного равновесия, происходит потеря устойчивости грунтов основания и исчерпывается его несущая способность.

Начальная критическая нагрузка соответствует случаю, когда в основании под подошвой фундамента возникает предельное состояние. Эта нагрузка еще безопасна в основаниях сооружения, так как до ее достижения грунт всегда находится в фазе уплотнения. При нагрузках, меньших начальной критической, во всех точках основания напряженные состояния допредельные и деформируемость грунта подчиняется закону Гука. Следовательно, для определения начальной критической нагрузки могут быть использованы решения задач теории упругости

Следует иметь в виду, что начальная критическая нагрузка соответствует пределу пропорциональности между напряжениями и деформациями грунта, а давление, равное начальному критическому давлению или меньше его, рассматривается как безопасное.

№ 3 ЕМТИХАН БИЛЕТІ/ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ

1. Структурные связи между частицами грунта

Структура – это размеры, форма, количественное соотношение слагающих грунт частиц и характер связей между ними, обусловленных всей предысторией грунта. Связи между частицами и агрегатами частиц называются структурными связями . Из-за высокой прочности самих час­тиц связи между частицами определяют деформируемость и прочность грунта.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяют­ся на связные и несвязные (сыпучие ). К связным относятся пылевато-глинистые грунты; к несвязным – крупнообломочные и песчаные грунты. Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряже­ния; несвязные грунты растягивающих напряжений не воспринимают.

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей. Такой механизм взаимодействия между частицами сыпучих грунтов называют внутренним трением грунта.

Структурные связи в глинистых грунтах имеют значительно более сложную природу и определяются электромолекулярными силами взаи­модействия между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Они и обусловливают связность глинистых грунтов. Интенсивность этих связей зависит от расстояния между частицами, зарядов на их по­верхности, состава и содержания ионов в поровой воде.

Глинистый грунт с очень большой влажностью по существу пред­ставляет собой тонкодисперсную суспензию, находящуюся в текучем со­стоянии. Связи между частицами в этом случае практически отсутствуют. С повышением концентрации дисперсной фазы (уменьшении влажности W) происходит сгущение суспензии, в результате чего расстояние между твердыми частицами уменьшается. При сближении глинистых частиц на расстояние порядка нескольких сотен и тысяч ангстрем между ними проявляются силы молекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Эти силы обусловлены взаимодействием поверхностных моле­кул твердых частиц в результате периодических колебаний электронных оболочек и ядер атомов, при которых образуются мгновенные диполи. Сближению частиц препятствуют силы отталкивания между их одноименно заряженными гидратно-ионными оболочками, поэтому молеку­лярные связи реализуются в углах и на ребрах частиц, где оболочки тоньше.

Молекулярные силы играют существенную роль в формировании прочностных свойств глинистых грунтов на начальных стадиях литогенеза (превращения в горную породу), настадии седиментации (образования осадков), при коагуляции и образовании осадков, а также на стадии диагенеза (превращения осадков в твердые породы).

Дальнейшему сближению частиц грунта начинают препятство­вать отталкивающие силы одноименно заряженных поверхностей частиц и диффузных слоев связанной воды, поэтому дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий, например, в результате уплотнения грунта под нагрузкой или его высушивания. Уплотнение грунта приводит к сближению частиц и усилению связей, при этом значимыми становятся ионно-электростатические силы. Определяющим фактором для их образования является наличие в диффузном слое обменных катионов. Если к одной заряженной частице приблизить другую, то катионы диффузного слоя будут взаимодействовать одновременно с двумя частицами и между последними образуется ионно-электростатическая связь (рис. 1.4). Эта связь проявляется при расстояниях между частицами в несколько десятков ангстрем, но ее прочность на несколько порядков выше прочности связей, обусловленных Ван-дер-Ваальсовыми силами.

По классификации, разработанной академиком П.А.Ребиндером, профессорами Н.Я.Денисовым, Н.А.Масловым и др., отмеченные вы

ше структурные связи относятся к водно-коллоидным . Наличие гидратных оболочек частиц придает этим связям подвижный, обратимый характер. Они сохраняются при деформации: перемятие влажного кусочка глины не нарушает его общей связности. Состояние глинистого грунта, при кото­ром он способен под воздействием внешних усилий изменять свою форму без разрыва сплошности и продолжительно сохранять вновь полученную форму, называется пластичным .

Высыхание грунта ведет к уменьше­нию толщины гидратно-ионных оболочек и усилению водно-коллоидных связей между частицами. Напротив, повышение влажности грунта и насыщение диффузных слоев оказывает расклинивающее действие на частицы грунта, что ведет к ослаблению водно-коллоидных связей и повышению подвижности грунта.

Малому количеству воды в грунте соответствует весьма большая прочность водно-коллоидных связей; глинистый грунт при малых значениях влажности находится втвердом состоянии.

Наряду с водно-коллоидными связями в грунтах, сохраняющих природную структуру, могут существовать цементационные связи. Они образуются в течение длительного геологического периода образования и существования грунтов за счет выпадения в осадок растворенных в поровой воде солей, цементирующих отдельные твердые частицы друг с другом.

Ими могут быть менее прочные и водостойкие связи, образуемые гипсом, кальцитом, и более прочные и водостойкие, такие, как оксиды железа, кремния и др. В противоположность водно-коллоидным, цементационные связи – жесткие и необратимые, не восстанавливающиеся при разрушении естественной структуры грунта.

Взаимное пространственное расположение частиц в грунте (текстура ) зависит от условий их осаждения: образуется ли осадок в воздуш­ной или водной среде, неподвижная или текучая вода и т.д.

При осаждении относительно тяжелых песчаных и пылеватых частиц, для которых гравитационные силы преобладают над электромолекулярными силами взаимодействия, образуется зернистая система сложения частиц (рис. 1.5,а).

В начальной стадии осаждения глинистых частиц в неподвижной воде образуется рассеянная (диспергированная) система (рис. 1.5,б), частицы находятся как бы во взвешенном состоянии.

С течением времени глинистые частицы могут контактировать друг с другом и образовывать флокуляционную систему расположения частиц (рис. 1.5,в). Диспергированная и флокуляционная системы характерны для свежеобразовавшихся глинистых грунтов (рыхлые, сильносжимаемые илы и илистые грунты).

В результате действия веса вышележащих слоев осадков нижние их слои уплотняются, и при этом в них происходит переориентация частиц. Они получают упорядоченную, ориентированную систему взаимного расположения (рис. 1.5,г).

Природная структура грунтов, их состав и состояние в основном и определяют деформационно-прочностные свойства грунтов и их работу как оснований и среды для сооружений, причем весьма важной характеристикой будет структурная прочность грунтов и устойчивость структурных связей вод влиянием внешних воздействий.

2 Защита котлованов от подтопления

3 Давления грунтов на ограждающие конструкции

Давление грунта на ограждающую поверхность зависит от многих факторов:

• способа и последовательности засыпки грунта;
• естественного и искусственного трамбования;
• физико-механических свойств грунта;
• случайных или систематических сотрясений грунта;
• осадок и перемещений стенки под действием собственного веса, давления грунта;
• типа сопряженных сооружений.

Все это значительно осложняет задачу определения давления грунта. Существуют теории определения давления грунта, использующие предпосылки, позволяющие с разной степенью точности выполнять решения задачи. Отметим, что решение этой задачи выполняется в плоской постановке.

Теория Кулона, предложенная в 1776 г., основывается на рассмотрении предельного равновесия призмы грунта, Ограниченной прямолинейными плоскостями обрушения (выпирания). Более строгое решение о предельном равновесии показывает, что действительное очертание этих поверхностей скольжения является криволинейным. Однако величины активного давления грунта на вертикальные или близкие к вертикальным, жесткие, гладкие и шероховатые стенки, определенные по Кулону и по точной методике,различаются между собой на 2-3 % что, несомненно, можно считать удовлетворительным результатом с инженерной точки зрения. Пассивное давление грунта весьма существенно зависит от трения грунта о стенку, которое в реальных условиях всегда имеет место. Учет трения грунта о стенку с использованием зависимостей, вытекающих из теории Кулона, дает при φ = 15-20° существенную погрешность в сторону преувеличения по сравнению с имеющимся решением. Более точные результаты дает теория, предложенная СВ. Соколовским, построенная на основе общей теории предельного напряженного состояния сыпучей среды. Существуют различные интерпретации этой теории, в том числе и хорошо известная графическая трактовка С.С. Галушкевича.

В большинстве инженерных расчетов используются результаты, полученные на основании теории Кулона; в тех случаях, когда результаты следует уточнить, используются поправочные коэффициенты, вводимые на основании точных решений и экспериментальных данных. Различают следующие виды бокового давления грунта:

• давление покоя (E а ), называемое также естественным (натуральное), действующее в том случае, когда стена (ограждающая поверхность) неподвижна или относительные перемещения грунта и конструкции малы (рис. 10.7 );
• активное давление (E а ) возникающее при значительных перемещениях конструкции в направлении давления и образования плоскостей скольжения в грунте, соответствующих его предельному равновесию (рис. 10.8 ). АБС - основание призмы обрушения, высота призмы - 1 м;
• пассивное давление (Е р ), появляющееся при значительных перемещениях конструкции в направлении, противоположном направлению давления и сопровождающееся началом «выпора грунта» (рис. 10.9 ). АБС- основание призмы выпирания, высота призмы -1м;
• дополнительное реактивное давление (Е r ), которое образуется при движении конструкции в сторону грунта (в направлении, противоположном давлению), но не вызывает «выпора грунта».

Взаимодействие ограждающей конструкции с массивом грунта имеет сложный характер и зависит от жесткости конструкции, от ее смещений и прогибов. При абсолютно неподвижном состоянии массива грунта за подпорной стеной реализуется так называемое давление покоя . При смещении стены от массива грунта за подпорной стеной реализуется активное давление . При движении стены на удерживаемый ею массив грунта в нем реализуетсяпассивное давление . Графически эти три вида давления представляются в виде зависимости

№ 4 ЕМТИХАН БИЛЕТІ/ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ

1. Геологическое строение оснований

Обычно в основании располагается несколько типов грунтов. В таком случае, кроме оценки свойств каждого грунта, возникает не менее важная задача – схематизация геологического строения основания, т.е. выделение границ между ними. Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела (рис.)

Слоем называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей. Расстояние между подошвой и кровлей называют мощностью слоя. Линзой называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой поверхностью. Если геологическое тело входит с одной стороны в геологический разрез и заканчивается в нем, то это называют выклиниванием слоя. Очень тонкое геологическое тело, ограниченное двумя непересекающимися поверхностями, называется прослоем. Жилой называют внутренне однородное геологическое тело, протяженное и пересекающее слои. Зоной называют область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.

При определении строения грунтовой толщи необходимо помнить, что строение грунтовой толщи определяется интерполяцией данных, полученных по отдельным вертикалям (скважины, данные геологической разведки), и от количества вертикалей, а также и расстояний между ними будет зависеть достоверность полученных данных.

Структурно-неустойчивые грунты это грунты, обладающие в природном состоянии структурными связями, которые при определенных воздействиях снижают свою прочность или полностью разрушаются. Эти воздействия могут заключаться в существенном изменении температуры, влажности, приложении динамических усилий.

К структурно-неустойчивым грунтам относят грунты: лессовые, структура которых нарушается при замачивании под нагрузкой; мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании; рыхлые пески, резко уплотняющиеся при динамических воздействиях; илы и чувствительные глины, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры. Также к особым грунтам относят: набухающие грунты, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой; торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью; скальные и полускальные грунты, обладающие, как правило, высокой прочностью и малой деформативностью.

Неучет специфических свойств этих грунтов может привести к нарушению устойчивости зданий и сооружений, к чрезмерным их деформациям.

Структурно-неустойчивые грунты часто относят к региональным типам грунтов потому, что эти грунты часто группируются в пределах определенных географо-климатических зон, в определенных регионам страны, т.е. преобладают в одних регионах и практически могут отсутствовать в других.

Особенности деформирования грунтов по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.

Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, обычно могут рассматриваться как практически недеформируемые тела. Однако трещиноватая скала и разборный скальный грунт обладают некоторой деформируемостью. Разрушенные структурные связи в скальных грунтах со временем не восстанавливаются.

2 Защита фундаментов от подземных вод и сырости

Проникающая в строительные конструкции влага является серьезной причиной их разрушения. Защита от проникновения воды (гидроизоляция) является важным фактором сохранности и долговечности зданий. При высоком уровне стояния грунтовых вод возникает опасность проникновения их в подвальные помещения, образования течи и пятен сырости на стенах.

Капиллярная влага, поднимающаяся по порам в массиве фундамента и цоколя от влажного грунта, может распространиться и в кладку стен нижних этажей. В случае агрессивности грунтовых вод материалы фундамента и подземных частей здания могут разрушаться. Для защиты здания от грунтовых вод предусматривают меры борьбы с движением грунтовых вод и проникновением атмосферных осадков в грунт основания и устраивают защитную гидроизоляцию от проникновения грунтовой влаги в конструкции здания.

Чтобы предупредить проникновение дождевых и талых вод в подземные части здания, осуществляют планировку поверхности участка под застройку, создавая необходимый уклон для отвода поверхностных вод от здания. Вокруг здания вдоль наружных стен устраивают отмостку из плотных водонепроницаемых материалов (асфальт, асфальтобетон и др.). Для защиты от проникновения грунтовой влаги в конструкции здания при новом строительстве обычно выполняется наружная изоляция конструкций со стороны воздействия воды, а для старой застройки применяют внутреннюю гидроизоляцию в подвальных помещениях.

Выделяют три типа гидроизоляции, соответствующие видам воздействия воды, - безнапорная, противонапорная и противокапиллярная. Безнапорная гидроизоляция выполняется для защиты от временного воздействия влаги атмосферных осадков, сезонной верховодки, а также в дренируемых полах и перекрытиях. Противонапорная гидроизоляция - для защиты ограждающих конструкций (полы, стены, фундаменты) от гидростатического подпора грунтовых вод. Противокапиллярная - для изоляции стен зданий в зоне капиллярного подъема грунтовой влаги.

Устройство гидроизоляции подвалов определяется характером воздействия воды, особенностью дренируемых конструкций и материалов, а также функциональными требованиями к помещениям по эксплуатации, назначению и допустимой влажности. Это влияет на выбор типа и материала изоляции, определяемый необходимыми показателями по водопроницаемости, водостойкости, паропроницаемости и долговечности. Возможности подрядных организаций, сезон и темпы работ также следует учитывать при отборе гидроизоляционных материалов. Существуют различные методы устройства гидроизоляции: основные - оклеечные, окрасочные, обмазочные, штукатурные, листовые (кессонные) и глиняные, а также специальные - инъекционные, проникающие (пенетрационные), геомембранные пропиточные, шовные, подводные, ликвидации активных течей и др.

3 Практические методы расчета конечных деформаций оснований фундаментов

Расчет осадок методом послойного суммирования.

Этот метод (без возможности бокового расширения грунта) рекомендован СНиП 2.02.01 - 83 и является основным при расчетах осадок фун­даментов промышленных зданий и гражданских со­оружений. Ниже рассмат­риваются порядок вспомо­гательных построений и последовательность рас­четов применительно к расчетной схеме на рисунке.

Вначале производится привязка фундамента к ин­женерно-геологической си­туации основания, т. е. со­вмещение его оси. При известных на­грузках от сооружения определяется среднее дав­ление на основание по по­дошве фундамента р. За­тем по правилам, приве­денным в § 5.4, начиная от поверхности природного рельефа строится эпюра природного давления по оси фундамента. Зная при­родное давление в уровне подошвы фундамента, определяют дополнительное вертикальное напряжение в плоскости подошвы фундамента. В соответствии с изложенным в том же масштабе строят эпюру дополнительных напряжений по оси фундамента.

Построив эпюры природного давления и дополнительного на­пряжения, находят нижнюю границу сжимаемой толщи. Эту опера­цию удобно выполнять графически, для чего эпюру природного давления, уменьшенную в 5 или 10 раз (в зависимости от условия ограничения сжимаемой толщи), совмещают с эпюрой дополни­тельных напряжений. Точка пересечения линий, ограничивающих эти эпюры, и определит положение нижней границы сжимаемой толщи.

Сжимаемую толщу основания разбивают на элементарные слои так, чтобы в пределах каждого слоя грунт был однородным. Обыч­но толщину каждого элементарного слоя принимают не более 0.5. Зная дополнительное напряжение в середине каждого элементарного слоя, определяют сжатие этого слоя. Нормы допускают принимать значения безразмерного коэффициента р равным 0,8.

№ 5 ЕМТИХАН БИЛЕТІ/ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ

1. Деформируемость грунтов

Деформируемость глинистых грунтов обусловлена главным образом взаимным перемещением твердых частиц грунта. В крупнозернистых грунтах главными факторами деформируемости являются смятие контактов и разрушение твердых частиц под нагрузкой. В песчаных грунтах происходят как процессы переориентирования и взаимного движения частиц, так и их разрушения. Деформации разделяют на объемные и формоизменения.

Объемная сжимаемость глинистых двухфазных грунтов возможна лишь при отжатии воды из грунта. Поскольку поры грунта малы, то отжатие свободной воды происходит медленно, и процесс деформирования грунта в зависимости от его объема растягивается часто на длительный промежуток времени. Повышенная вязкость связной воды также замедляет процесс деформирования (объемного и формоизменения).

Процесс деформирования глинистого грунта во времени описывается теорией консолидации грунтов, некоторые упрощенные положения которой изложены в 12.3.

В песчаных грунтах процессы деформирования под действием статической нагрузки протекают быстро, поэтому обычно их во времени не рассматривают.

В крупнозернистых грунтах процессы смятия контактов, их разрушение, перекомпоновка структуры вследствие разрушения отдельных зерен и перераспределение нагрузки между частицами часто так же, как и в глинистых грунтах, занимают длительное время, хотя механизм процесса во времени иной.

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, то при действии внешней нагрузки в грунте происходят такие деформации:

Взаимное смещение частиц и агрегатов частиц с более плотной их переупаковкой;

Разрушение частиц и их агрегатов;

Отжатие воды и воздуха из пор грунта;

Деформация пленок воды в точках контакта грунтовых частиц;

Сжатие воздуха в закрытых порах грунта;

Упругие деформации минеральных частиц.

После снятия нагрузки некоторые деформации восстанавливаются. Их называют упругими деформациями . Это деформации частиц грунта, пленок связанной воды, упругое сжатие защемленных пузырьков воздуха и поровой воды. Такие деформации грунта, как правило, во много раз меньше, чем деформации за счет сдвигов частиц грунта, отжатия воды и воздуха из пор, которые называютсяостаточными , т.е. не восстанавливающимися после снятия нагрузки. В итоге остаточные деформации приводят к уплотнению грунта.

2 Фундаменты на слабых глинистых водонасыщенных и заторфованных грунтах

К слабым водонасыщенным грунтам относят насыщеннные водой сильносжимаемые грунты, которые при обычных скоростях приложения нагрузок на основание теряют свою прочность, вследствие чего уменьшается их сопротивление сдвигу и возрастает сжимаемость. Слабый глинистый грунт – это дисперсная структурированная система с коагуляционным типом структурных связей, способная при их нарушении переходить из твердообразного состояния в жидкообразное. Текучее состояние грунта определяется степенью нарушения структурных связей. При расчете осадок сильносжимаемых водонасыщенных глинистых оснований возникает необходимость учета ползучести, нелинейной деформируемости и проницаемости. Цикличность приложения нагрузок, например, в элеваторах, изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов оснований во времени. Неравномерная загрузка отдельных силосов приводит к значительным неравномерным деформациям. Специалисты рекомендуют проводить равномерную первичную загрузку и разгрузку элеваторов.

Часто к слабым водонасыщенным относят глинистые грунты (илы, ленточные глинистые грунты, водонасыщенные лессовые макропористые и заторфованные грунты и др.) при Е ≤ 5 МПа и sr ≥ 0,8, ϕ = 4 … 10°, с = 0,006 … 0,025 МПа.

Значение коэффициентов фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях отличаются до 10 раз. Общая осадка подразделяется на часть, описываемую теорией фильтрационной консолидации, и часть, описываемую процессами вторичной консолидации.

При проектировании фундаментов мелкого заложения необходимо ограничить:

Средние осадки предельными величинами;

Относительные разности осадок соседних фундаментов предельными значениями;

Скорости протекания осадок допустимыми.

При прохождении сейсмических волн через слабый водонепроницаемый грунт возникает поровое давление и снижаются прочностные характеристики грунта. В этих условиях рекомендуется применять сваи-стойки с полной прорезкой слабых грунтов и опиранием на прочный. Кроме того, возможно применение песчаных подушек, дренажных прорезей с пригрузочными насыпями, известковых свай с последующим уплотнением грунтов тяжелыми трамбовками.

В случае, когда методы уплотнения и упрочнения не дают эффекта, а осадка превышает предельную, необходимы конструктивные мероприятия. К ним относятся: повышение жесткости зданий путем разрезки осадочными швами на отдельные блоки; повышение жесткости каждого блока устройством монолитных железобетонных или сборно-монолитных фундаментов; устройство железобетонных или металлических поясов или армированных швов; устройство жестких диафрагм, например, горизонтальных из плит; повышение гибкости и податливости гибких зданий и сооружений.

Осадки фундаментов вычисляются с использованием расчетных схем в виде линейно-деформированного пространства или линейно-деформи-руемого слоя. Границу сжимаемой толщи определяют на такой глубине, где дополнительные напряжения равны 3 кПа – для илов, а для заторфованных грунтов на глубине, где дополнительное к природному давление равно структурной прочности.

Дополнительную осадку фундаментов на основаниях, сложенных водонасыщенными или органо-минеральными грунтами за счет разложения органических включений допускается не учитывать, если в период срока службы сооружения, уровень грунтовых вод не будет понижаться

3 Общие требования к проектированию оснований и фундаментов

Типовых проектов для систем сооружение-основание не существует. Система рассчитывается как единое целое. Расчет ведется по предельным нагрузкам.

В конструктивной схеме фундамента выбираются характерные сечения. В них рассчитывается взаимодействие фундамента и основания. Размеры сооружения должны соответствовать всем расчетам по предельным состояниям. Исходя из результатов расчетов, конструируются фрагменты в каждом сечении, а затем фундамент для всего здания.

Основания и фундаменты проектируются по вариантному методу. Расчет производится для нескольких конструкций сечений и сооружения в целом. Затем делается сравнение по ряду технико-экономических показателей, и выбирается наиболее экономичный вариант. Для него разрабатывается проект, включающий архитектурно-строительные чертежи и ППР.

При выборе варианта учитываются:

• рельеф площадки;
• физико-механические свойства грунтов;
• геологическое строение массива;
• гидрогеологические условия площадки;
• объемно-планировочное решение здания;
• особенности производства работ при закладке фундамента;
• особенности использования строения и возможные факторы, приводящие к изменению свойств грунтов в период его эксплуатации.

При проектировании фундаментов производятся расчеты на прочность, трещиностойкость и устойчивость к деформациям.

№ 6 ЕМТИХАН БИЛЕТІ/ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ

1. Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. При этом под сплошным потоком воды понимается ее неразрывное движение (фильтрация) по всему сечению активных пор грунта, т. е. той части пор, которая не заполнена связанной водой. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минерального состава, градиента напора.

2 Фундаменты на засоленных грунтах

При расчете оснований, сложенных засоленными грунтами по второй группе предельных состояний, осадку основания следует определять с учетом деформаций, вызываемых внешней нагрузкой, а также возможных деформаций от просадки в результате набухания, усадки и суффозионной осадки.

Основания, сложенные засоленными грунтами, необходимо про-ектировать с учетом следующих факторов: возможности образования суффозионной осадки в результате фильтрации воды с последующим выщелачиванием солей; снижения прочностных характеристик в результате изменения физико-механических свойств в процессе выщелачивания; возможной просадки или набухания при замачивании, а также повышенной агрессивности подземных вод по отношению к материалам подземных конструкций, возможной в результате растворения солей, содержащихся в грунте.

Расчетное сопротивление основания R при возможности длительного замачивания и выщелачивания определяют по формуле (4.10) с учетом значений характеристик Если расчетные деформации основания превысят предельно допустимые по нормам или несущая способность окажется недостаточной, необходимо выполнять водозащитные мероприятия, исключающие замачивание, а в случае невозможности: осуществлять конструктивные меры, направленные на снижение неблагоприятного влияния неравномерных осадок; прибегать к частичной или полной срезке слоев засоленных грунтов с заменой последних подушками из пылевато-глинистых грунтов; применять свайные фундаменты с прорезкой слоев засоленных грунтов; использовать закрепление и уплотнение грунтов, а также предварительное рассоление специальными веществами, вступающими в реакцию с солями.

Если предусматривается комплекс мероприятий, направленных на предотвращение длительного замачивания и выщелачивания грунтов, или возможность последнего полностью отсутствует, осадки основания определяют как для незасоленных грунтов при полном водонасыщении.

При расчете оснований на подрабатываемых территориях учитывают расчетные относительные горизонтальные деформации, радиус кривизны деформации земной поверхности и показатель суммарных деформаций, развивающихся в пределах длины здания.

Фундаменты на подрабатываемых территориях должны проектировать с учетом неравномерного оседания поверхности грунта, сопровождаемого горизонтальными деформациями от сдвига массивов грунта в результате производства горных работ и перемещения грунта в выработанное пространство при добыче полезных ископаемых.