Механика грунтов. Лекция №1

1.Основные понятия и определения: грунт, основание, фундамент. Задачи механики грунтов. Природа и строение грунтов. Элементы, составляющие грунт, и их свойства. Текстура и структура грунтов. Классификация скальных и нескальных грунтов.

2.Физические свойства грунтов и методы их исследования. Основные и производные характеристики физических свойств грунтов. Строительная классификация грунтов.

3.Деформируемость грунтов. Понятие об упругих и пластических деформациях. Характеристики сжимаемости. Лабораторные и полевые методы исследований сжимаемости грунтов. Испытания грунтов штампами и испытания в компрессионных приборах.

4.Прочность грунтов. Предельное сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона. Характеристики прочности грунтов. Исследование прочности грунтов в приборах прямого одноплоскостного среза и в приборах трехосного сжатия.

5. Водопроницаемость грунтов. Закон ламинарной фильтрации Дарси. Характеристики водопроницаемости: коэффициент фильтрации и начальный градиент напора и методы их определения. Исследование фильтрационных свойств грунтов в трубке Каменского и в компрессионно-фильтрационных приборах.

Механика грунтов. Основные понятия и определения. Природа грунтов, их состав и строение.

Литература

1.Механика грунтов основания и фундаменты. С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский.

2.Механика грунтов. Н.А. Цитович

3.Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах). М.В. Малышев

4.Механика грунтов. Ч1: Основы геотехники в строительстве.

Основные определения.

Как правило, любое сооружение покоится на грунтовом основании. Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, которые определенным образом сочетаются в пространстве. В частном случае основание может состоять из грунта одного типа.

Сооружение и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузкой от сооружения во многом определяют их прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения.

Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

Состав - перечень минералов.

Он в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В общем случае, с физической точки зрения грунт состоит из трех основных элемент: твердой, жидкой и газообразной. Иногда выделяют биоту – живое вещество. Однако свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов и мы будем рассматривать грунт как трех компонентную систему.

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействии.

Например, на небольших глубинах в грунтах присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах может состоять из двух и даже из одной компоненты (зона вечной мерзлоты). В зоне положительной температуры, ниже уровня подземных вод, грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделяться из нее при понижении внешнего давления

или повышении температуры.

Твердые частицы состоят из породообразующих минералов с различными свойствами. Часть минералов инертна по отношению к воде (кварц, полевые шпаты, слюда). Большое влияние на свойства грунта оказывают растворимые в воде минералы (галит, гипс, кальцит). Промежуточное положение занимают глинистые минералы. Они не растворимы в воде, но их нельзя назвать инертными. В силу чрезвычайно малых размеров кристаллов они обладают высокой коллойдной активностью (каолит, монтмориллонит,

илит). Размеры этих кристаллов не превышают 1-2 мкм, поэтому в 1г каолита суммарная площадь поверхности всех частиц составляет – 10 м2 для монтмориллонита – 800м2

Органическое вещество в грунтах у поверхности находится в виде микроорганизмов, корней растений в глубоких горизонтах – в виде нефти, бурого и каменного угля.

Жидкая составляющая. Можно выделить следующие состояния воды:

1)Кристаллизационная (химически связанная) вода - принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта.

2)Связанная

Вода, находящаяся в порах грунта, является слабым химическим раствором за счет растворенных в ней солей. В результате взаимодействия с поверхностным слоем минералов на поверхности частиц возникает отрицательный электрический заряд, а вокруг самих частиц образуется электрическое поле. Электрическое поле притягивает катионы грунтового раствора. Диполи молекул воды ориентируются положительно заряженными концами в направлении поверхности частиц и отрицательно заряженными концами вокруг катионов. По мере удаления от поверхности частиц силы электромолекулярного взаимодействия падают, притяжение молекул воды поверхностью частиц ослабевает.

Молекулы воды у поверхности частиц испытывают огромные силы притяжения в сотни МПа, вода называется прочносвязной (имеет повышенную вязкость, не

замерзает до -100град). Последующие слои испытывают меньшую силу притя-

жения - вода рыхлосвязанная.

3)Свободная – на достаточном удалении от поверхности частицы силы притяжения ослабевают настолько, что определяющим становится тепловое движение молекул воды и ионов раствора. Подчиняется законам гидравлики, она передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров.

Газообразная составляющая представлена – атмосферным воздухом, азотом, метаном, сероводородом. Газ может быть растворен в воде или находится в свободном состоянии. Свободный – защемленный (находится в контактах м-у частицами или в виде пузырьков в воде), не защемленный (сообщающийся с атмосферой)

Структура - размер, форма и количественные соотношения слагающих породу ча-

стиц.

Зернистая - образуется при свободном падении частиц имеющих размеры песчаного зерна (более 0,05 мм)

Губчатая – при свободном падении частиц в воде частицы соединяются адсорбированными пленками воды.

Хлопьевидная – при размере частиц менее 0,001 мм при свободном падении долгое время находятся во взвешенном состоянии, при столкновении частицы слипаются и выпадают хлопьевидной массой.

Текстура - пространственное расположение элементов грунта, определяющее его строение.

Горная порода представляет собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность.

Порфировая – мелкодисперсный материал с включениями крупных обломков горных пород.

Ячеистая – представлена в виде ячеек разделенных одним из компонентов грунта (прослоек льда, соли)

Слитная – обладают некоторые древние глины и илы, подвергшиеся значительным давлениям.

Структурные связи – внутренние связи между частицами и агрегатами частиц. По своей природе и по прочности очень различны. Именно они определяют деформируемость и прочность грунтов. Образование структурных связей – длительный процесс. Скальным грунтам присущи жесткие кристаллизационные связи, энергия которых соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов, при разрушении не восстанавливаются.

Нескальные грунты по характеру структурных связей подразделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты, к сыпучим - крупнообломочные и песчаные грунты.

Классификация и основные свойства грунтов регламентируются «ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация»

Грунты подразделяются на классы, группы, подгруппы, типы, виды.

Естественные:

-магматические

-осадочные

-метаморфические Искусственные:

-уплотнённые

-закреплённые в естественном состоянии

-насыпные

-намывные

Породы магматического, метаморфического происхождения и сцементированные осадочные обладают жёсткими связями между частицами и относятся с КЛАССУ СКАЛЬНЫХ грунтов.

Осадочные несцементированные породы не имеют жёстких связей и относятся к

КЛАССУ НЕСКАЛЬНЫХ грунтов.

К КЛАССУ НЕСКАЛЬНЫХ ИСКУССТВЕННЫХ относятся несцементированные осадочные горные породы, подвергнутые специальному уплотнению в природном залегании, насыпные, намывные.

Дальнейшее подразделение - на ТИПЫ ГРУНТОВ по преобладающему минеральному составу и размеру частиц грунта, по степени неоднородности, числу пластичности - (например, песок-гравелистый, крупный, средней крупности, и т.д., глинистые грунты - глина, суглинок, супесь)

В пределах каждого ТИПА по структуре и текстуре, а иногда и по составу примесей, грунты подразделяются на ВИДЫ (например, для песка крупного - плотный, средней плотности, рыхлый; для супеси, суглинков и глины - щебенистые, дресвяные, без примеси органики или с примесью органики)