книги / Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Основания и фундаменты

§ 5. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ВОДЫ В ПОРАХ ГРУНТА (ФИЛЬТРАЦИЯ)

Фильтрацией называется движение воды сквозь поры грунта, происходящее под влиянием разности напоров. Если скорость движения воды не превышает некоторого критического для данного грунта значения («критическая скорость»), что обычно имеет место в есте­ ственных условиях [6], то скорость фильтрации v равна (закон Дарси)

кф — коэффициент фильтрации. Коэффициент фильтрации является количественной

характеристикой степени водопроницаемости грунта и представляет собой скорость фильтрации при гидравли­ ческом градиенте, равном единице. При наличии в грунте связанной воды явление фильтрации возникает лишь тогда, когда градиент i превышает некоторое значение in — начальный градиент. Скорость фильтрации равна

а) расчета по формулам в зависимости от грануло­ метрического состава грунта (способ применим для одно­ родных песков средней крупности);

б) лабораторных испытаний на специальных при­ борах;

в) опытных откачек и нагнетания в полевых условиях (способ применим для грунтов с коэффициентом фильтра­ ции более 5 • 10 3 см!сек).

Ориентировочные значения коэффициентов фильтра­ ции (в см/сек) различных грунтов приведены ниже;

Движущаяся в порах вода оказывает давление на скелет грунта. Это давление называется гидродинамиче­ ским и является объемной силой; оно может быть пред­ ставлено в виде вектора, направленного по касательной к линии тока. Величина гидродинамического давления (в г/см3, т/м3)

J == 1Ув = -г - YBйФ

где у„ — удельный вес воды.

Если при направлении фильтрационного потока снизу вверх (что имеет место при вскрытии котлованов, бурении, осуществлении дренажа и т. п.) гидродинами­ ческое давление превысит вес вышележащей толщи грунта, произойдет гидродинамическое выпирание грунта.

Фильтрация воды под влиянием разности потенциа­ лов постоянного электрического тока носит название электроосмоса и используется в строительстве для вре­ менного водопонижения в глинистых грунтах. Грунтовая вода перемещается также в парообразном и пленочном состоянии. Движение водяного пара происходит из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. В пленочном состоянии вода всегда перемещается в сторону больших молекулярных сил поверхностного притяжения минеральных частиц, т. е. от частиц с большей к частицам с меньшей толщиной пленки.

§ 6. ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА ПРИ СЖАТИИ

Для грунтов зависимость между напряжениями и деформациями нелинейна. Практически с целью исполь­ зования аппарата теории упругости для определения напряжений и деформаций в грунтах (см. гл. 5 и 6)

Рис. 1.4. Зависимость между напряжением и деформа­ цией при одноосном сжатии грунта

рассматривают грунт как линейно-деформируемое тело. Это приемлемо лишь для ограниченного интервала дав­ лений (рис. 1.4, участок 0 — А). Зависимости между относительными деформациями (Х2, Хх, Xv) и напряже­ ниями (сгг, <JV, ау) и характеристиками деформативных свойств грунтов выражаются нижеследующими урав­ нениями:

одноосное сжатие (см. рис. 1.4)

лем упругости, так как он характеризует не только упругие, но и остаточные деформации грунта. Сжатие грунта под действием равномерной внешней нагрузки,

При сжатии грунта без возможности бокового рас-

ширения относительная деформация f

а— коэффициент уплотняемости (сжи­ маемости) грунта в см2!кг.

Коэффициент уплотняемости является количествен­ ной характеристикой способности грунта уплотняться в условиях невозможности бокового расширения. Он

Характеристики деформативных свойств грунтов £, р, а и £, как правило, должны определяться путем лабораторных или полевых испытаний. При отсутствии данных исследований грунтов допускается для оснований зданий и сооружений II—IV классов капитальности

где Р — полная нагрузка на штамп в кг, взятая в конце прямолинейного участка на графике;

5' — конечная осадка в см, соответствующая нагруз­ ке Р, взятая по тому же графику;

d — диаметр кругового штампа в см (для квадрат­ ного штампа равен диаметру круга равновеликой площади);

ц — коэффициент Пуассона.

При испытаниях пробными нагрузками необхо­ димо, чтобы ниже подошвы штампа на глубину не ме­ нее полуторной его ширины (диаметра) залегал одно­ родный по сжимаемости грунт. При неоднородных на­ пластованиях испытания выполняются послойно. Для каждого слоя нормативное значение Е принимается равным среднему из результатов нескольких опреде­ лений.

Консолидацией называется развитие во времени процесса постепенного уплотнения грунта при сжатии его непрерывно действующей статической нагрузкой. Консолидация определяется совокупностью ряда физи­ ческих явлений, важнейшие из которых: выжимание свободной и слабо связанной воды из пор грунта, упругое сжатие твердых частиц, воды и пузырьков воздуха, вязко­ пластические деформации взаимного перемещения эле­ ментов скелета. Различают две формы консолидации — фильтрационную и пластическую. Фильтрационной кон­ солидацией называется процесс уплотнения грунта в результате постепенного отжатия воды из пор грунта, при этом вода перемещается внутри грунта, в его порах, т. е. происходит фильтрация. Скорость уплотнения за­ висит от степени водопроницаемости грунта, количест­ венно оцениваемой коэффициентом фильтрации.

Уплотняющее давление р передается на воду и скелет грунта. Напряжения, передающиеся на скелет грунта, называются «эффективными напряжениями» рэ, а пере­ дающиеся на воду — «нейтральными напряжениями» или «поровым давлением» ра. В процессе фильтрационной

консолидации р — р9 + р„, причем значения эффектив­ ного и нейтрального давлений непрерывно изменяются.

В водонасыщенных грунтах, сравнительно слабо связывающих воду (пылеватые пески, супеси, суглинки,

каолинитовые глины и т. п.), скорость уплотнения опре­ деляется в основном фильтрационной консолидацией. Закономерности последней и их приложение к расчету скорости осадки естественных оснований изложены

вгл. 6.

Иглинистых грунтах, сильно связывающих воду,

существенное значение приобретает пластическая форма консолидации (ползучесть). Первоначально скорость осадки определяется в основном скоростью отжатия воды, и процесс развивается в соответствии с закономерно­ стями фильтрационной консолидации. После отжатия свободной и слабо связанной воды осадки будут проис­ ходить за счет вязко-пластических деформаций скелета и наступает стадия пластической консолидации.

§ 7. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ (СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ)

Разрушение грунта наступает при определенном со­ отношении главных напряжений [2] в результате сдвига (среза, скола) по площадке, по которой касательные напряжения т превышают предельное значение, опреде-

Рис. 1.8. Зависимость между касательными и нормаль­ ными напряжениями в предельном состоянии

ляемое силами сопротивления грунта внутреннему сдвигу (рис. 1.8). Одновременно с касательными возникают напряжения а, нормальные к площадке сдвига. Прини­ мается, что в предельном состоянии зависимость между г и а определяется уравнением 1.7 (условие прочности грунта)

кругов Мора [5]. Для построения круга напряжений па оси абсцисс откладываются значения главных напряже­ ний и на их разности, как на диаметре, строится окруж­ ность (рис. 1.9). Ординаты и абсциссы точек, лежащих на

Рис. 1.9. Круг напряжений

этой окружности, соответствуют значениям нормальных и касательных напряжений для различно направленных площадок в данной точке. Так, для площадки п — п, наклоненной под углом а к главной площадке, по кото­ рой действует большее главное напряжение, значения касательных та и нормальных напряжений равны со-

Графически уравнению (1.7) соответствует прямая линия, отсекающая на оси ординат отрезок, равный с, и наклоненная к оси абсцисс под углом ф, тангенс кото­ рого равен f. Параметры уравнения (1.7) — ф — угол внутреннего трения и с — удельное сцепление (сокра­ щенно «сцепление») — являются количественными харак­ теристиками прочности грунта. Название характеристик несколько условно и не вполне отражает действительную природу сил сопротивления грунтов сдвигу.

Условие предельного равновесия (1.7) в условиях; плоской задачи выражается также зависимостями:

где а, — большее, а а 2 — меньшее главные напряжения. Графически зависимость между главными оА и о2, норма льными о и касательными т напряжениями, дейст­ вующими по площадкам, проходящим через данную точку, представляется с помощью «кругов напряжений» —

Рис. 1.10. Огибающие кругов напряжений

а — общая касательная; 0 — криволинейная огибающая

ответственно ординате и абсциссе точки N. Эта точка лежит на пересечении окружности и радиуса, составляю­ щего угол 2а с осью абсцисс.

Предельный круг напряжений строится для значе­ ний а, и а,, удовлетворяющих условиям предельного равновесия (рис. 1.10). По предельному кругу устанав­ ливается положение площадок, по которым в данной точке может произойти сдвиг «площадок скольжения».

Зти площадки наклонены к площадке, по которой дей­ ствует большее главное напряжение о, под углом

а = ^45° + Ip, > т. е. для них 2а — (90°+ср). В каждой

точке предельно напряженного грунта таких площадок

может быть две, для одной угол а = (45°+ будет

положительным (площадки первого семейства), для дру­ гой— отрицательным (площадки второго семейства).

Для того же грунта можно построить серию предель­ ных кругов, соответствующих различным комбинациям значений сг, и а.,, удовлетворяющих условиям предель­ ного равновесия. Эти круги имеют общую касательную, составляющую с осью абсцисс угол <р и отсекающую на оси ординат отрезок с, т. е. представляющую собой пря­ мую, соответствующую уравнению (1.7).1

Для песков характерна сравнительно большая ве­ личина угла внутреннего трения; сцепление же практи­ чески отсутствует. Приведенные в табл. 1.5 величины сцепления с для песков называются расчетным парамет­ ром линейности и отражают наличие криволинейного участка в начале графика зависимости (1.7) между т и а. Различные пески имеют различное сопротивление сдвигу в зависимости от крупности, формы и минералогического состава зерен, наличия примесей и т. д. Для одного и того же песка угол внутреннего трения существенно зависит от плотности, т е. пористости, резко уменьшаясь с увеличением последней. При определении угла внут­ реннего трения песка необходимо учитывать ту его плотность, при которой он будет практически использо­ ваться. Влажность песка существенно не влияет на ве­ личину угла внутреннего трения. Исключение состав­ ляют пылеватые пески, у которых угол внутреннего трения понижается при увлажнении.

Углом естественного откоса песка называется угол заложения кенагружеиного песчаного откоса, образую­ щегося при медленной отсыпке песка на горизонтальную плоскость. Угол естественного откоса нельзя отождест­ влять с углом внутреннего трения ф. Их численные зна­ чения практически близки для рыхлого песка.

Для глинистых грунтов характерно наличие сцеп­ ления. Угол внутреннего трения меньше, чем в песках, и, как правило, уменьшается с увеличением содержания в грунте глинистых частиц. Один и тот же глинистый грунт имеет различное сопротивление сдвигу в зависи­ мости от ряда факторов, важнейшими из которых яв­ ляются: начальное состояние грунта (структура, плот­ ность и влажность), история загружения и условия, в которых протекает процесс разрушения. Для опреде­ ления характеристик сопротивления сдвигу глинистых грунтов необходимо применять такую методику,которая обеспечивает наибольшее соответствие режима испытаний условиям, имеющим место при строительстве и эксплуа­ тации сооружения.

Показатели сопротивления грунтов сдвигу должны, как правило, определяться на основании полевых и лабораторных исследований. При соблюдении условий, оговоренных действующими нормами проектирования [5], можно пользоваться справочными данными, при­ веденными в табл. 1.5 и 1.6. При инженерных расчетах используются в соответствии с указаниями технических условий проектирования нормативные и расчетные зна­ чения характеристик прочности грунтов (риг.

За нормативную характеристику Аи принимается среднее значение характеристики, полученное по данным

' При испытании грунтов в ширешом диапазоне давлений об

нарулквается нелинейный характер зависимости т от а и, следо­ вательно, огибающая иредельных кругов является кривой.

б) Сдвиги грунта по принудительной плоскости

Для испытания применяются одноплоскостные сдвижные приборы (рис. 1.13). Экспериментально опре-

^77Ш Т?77777Г/7Ш ?:7777?77?1

Рис. 1.12. Схема одометра

деляется зависимость между сопротивлением грунта сдвигу т и нормальным давлением р [формула (1.7)]. Расистом и графическим построением вычисляются угол

тельной аппаратуры можно найти коэффициент фильтра­ ции К и коэффициент Пуассона р. Для испытания песков

Рис. 1.14. Схема стабилометра типа А

J — образец; 2 — резиновая оболочка; 3 верх­

и гравия можно применять вакуумные стабилометры. Основные указания по методике испытаний даны в литературе [4].

Для испытания применяются приборы—стабилометры типа Б (рис. 1.15). Экспериментально устанавливается зависимость между боковым давлением а.,, относительной

внутреннего трения <р и сцепление с. Основные указания по методике даны там же [8|. Способ в ряде случаев не позволяет обеспечить соответствие режима испытаний условиям работы грунта в период строительства и экс­ плуатации сооружения.

в) Разрушение грунта при одноосном сжатии

Для испытания применяются прессы любой конст­ рукции с усилием до 0,5 т. Экспериментально опреде­ ляется предельное значение а (см. рис. 1.8). Расчетом находят значение сцепления i обычно в предположении <р 0 [см. уравнение (1.8)|. Способ применим для гли­ нистых грунтов в твердом и тугопластичном состоянии.

г) Сжатие грунта в условиях трехосного напряженного состояния при постоянном боковом давлении и возможности бокового расширения

Для испытаний применяются приборы—стабилометры типа Л (рис. 1.14). Экспериментально определяется

Рис. 1.15. Схема стабилометра типа D

/ — образец; 2 — резиновая оболочка; 3 — ка­ мера; 4 — подвижный поршень; 5 — неподвиж­ ный поршень; 6, 7 — краны; 8 — манометр

ности бокового расширения (см. зависимости 1.4) и предельное значение с*. Расчетом и графическими по­

строениями определяются коэффициент бокового дав­ ления коэффициент уплотняемости а и характеристики прочности ф и с. Можно найти коэффициенты фильтрации и Пуассона. Основные указания по методике испытаний приведены в специальных работах [3] и [8].

е) Пснетрация (в лабораторных условиях)

В грунт вдавливаются сферические или конические штампы. Экспериментально определяется сопротивление вдавливанию в грунт штампа на заданную глубину. Рас­ четом вычисляют значение сцепления [9].

ЛИТЕРАТУРА

1 . Б е р е з а н ц е в В. Г . . К с е н о ф о н т о в А. И. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. Трансжелдориздат. 1961.

к исследованию механических свойств грунтов с приме­ нением стабилометров типа М-2. Госэнергоиздат, 1959.

4. С и п и д и н В. П., С и д о р о в Н. Н. Исследо­ вание грунтов в условиях трехосного сжатия. Госстрой­ издат, 1963.

5.Строительные нормы и правила (СНиП П-Б. 1-62). Гл. I. Основания зданий и сооружений.

6.Ф л о р и н В. А. Основы механики грунтов. Т. 1. Госстройиздат, 1959.

7.Ц ы т о в и ч Н. А. Механика грунтов. Госстрой­ издат, 1963.

8.Ч а п о в с к и й Е. Г. Лабораторные работы по

грунтоведению и механике грунтов. Госгеолиздат, 1958. 9. Ц ы т о в и ч Н. А. и др. Основания и фунда­

менты. Госстройиздат, 1959.

§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Инженерно-геологические условия строительной площадки в значительной степени определяют типы фундаментов, а также прочность и устойчивость основа­ ний зданий и сооружений. Выяснение инженерно-геоло­ гических условий и получение достаточно полных сведе­

ний о свойствах грунтов производится с помощью ин­ женерно-геологических изысканий. Результаты послед­ них должны использоваться при проектировании осно­ ваний зданий и сооружений (СНиП Н-А. 10-62, п. 6.1).

Производство инженерно-геологических изысканий регламентируется общесоюзными инструкциями и ве­ домственными указаниями. Обязательными являются

инструкции по инженерным изысканиям [5, 3 и 2] и «Технические условия и инструкции по исследованию грунтов» [10]. Инженерно-геологическим изысканиям обычно сопутствуют изыскания топографо-геодезические и гидрологические.

Изыскания предшествуют проектированию или про­ водятся одновременно с ним. На каждой стадии проекти­ рования инженерно-геологические изыскания подчи­ няются поставленным частным задачам, которые и опре­ деляют состав и соотношение объемов отдельных видов работ (табл. 2.1).

Целевое назначение работ и проектные предположе­ ния (назначение проектируемых зданий и сооружений с краткой характеристикой их конструкций, порядок величины и характер передаваемых на фундаменты нагрузок, конструктивная глубина заложения фунда­ ментов, температурный режим подвалов или первых

граммы изысканий должно предшествовать ознакомление

суже имеющимися материалами о природных условиях

иместном опыте строительства, а также при возможности рекогносцировка данного района. Рабочая программа

должна быть согласована с проектной организацией. Результаты инженерно-геологических изысканий оформляются в виде отчетов и технических заключений по произведенным объемам работ. К отчету приклады­ ваются инженерно-геологические карты, литологические разрезы по линиям, результаты лабораторных и поле­ вых исследований и другие графические или табличные материалы. При сложных напластованиях контуры под­ земных частей зданий, включая фундаменты, следует наносить на литологические разрезы. Все эти документы обязаны отображать существующую геологическую и гидрогеологическую обстановку, давать инженерный анализ полученных материалов и содержать данные для:

1)оценки общей пригодности площадки для наме­ чаемого строительства;

2)установления вида и объема инженерных мероприя­

тий по освоению площадки под строительство;

3)установления типа оснований, глубины заложения фундаментов, величины нормативного давления на грунт

ивозможности расчета оснований в соответствии с тре­ бованиями действующих строительных норм и правил и технических условий на проектирование данного объекта;

4)оценки возможности изменения величины осадки здания или сооружения при изменении естественных условий площадки в связи с ее застройкой и эксплуата­

цией сооружений;

5)проектирования мероприятий по защите подзем­ ных конструкций от грунтовой воды в случаях заложе­ ния фундаментов ниже ее уровня;

6)определения целесообразности применения мето­

дов улучшения строительных свойств грунтов — осно­ ваний с целью уменьшения осадки фундаментов и повы­ шения прочности и устойчивости оснований сооруже­ ний;

7)выявления наиболее целесообразных способов производства работ по устройству оснований и возведе­ нию фундаментов, а также предупреждения возможных осложнений при производстве земляных работ;

8)определения трудоемкости производства земляных

работ.

§ 2. ОБЪЕМЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ

На объемы инженерно-геологических работ влияют: характер строительства, стадия проектирования, степень инженерно-геологической изученности района и пло­ щадки, тип грунтов, особенности условий залегания различных слоев грунта и степень сложности гидрогео­

териалы инженерно-геологических исследований и дан­ ные об опыте строительства; с р е д н е и з у ч е н н ы е— имеются менее подробные данные о геологическом строе­ нии и гидрогеологических условиях, опыт строительства

и в общем случае назначаются применительно к последо­ вательности проектирования.

а) Стадия предпроектная

Объемы инженерно-геологических работ опреде­ ляются табл. 2.2.

В результате работ выясняются особенности рельефа, пути стока и расположение близлежащих водоемов, характеристики климата, сейсмичность, геологическое строение и его сложность, генезис грунтов (элювий, де­ лювий, аллювий и т. п.), уровни подземных вод, наличие и возможность развития оползневых, просадочных, селе­