к экз

60

Утверждаю»

Зав . кафедрой АД

_______________Мевлидинов З.А.

« » _________ 2012 г.

Вопросы

к экзамену по дисциплине: "Механика грунтов".

3-й курс, группа АД-401, Семестр 6. Очное отделение, специальность 270205 "Автомобильные дороги и аэродромы"

1 - Происхождение грунтов.

По ГОСТ 25100 – 95 «Грунты. Классификация» все грунты делят на естественные – магматические, осадочные, метаморфические и техногенные – уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов магмы в верхних слоях земной коры (интрузивные, или глубинные, породы: граниты, диодориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность расплава (эффузивные, или излившиеся, породы: базальты, порфиры и др.).

Осадочные горные породы образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от степени упрочнения различают сцементированные (песчаники, доломиты, известняки и т.п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лессы, илы, торфы, почвы и т.п.).

Метаморфические горные породы образуются в недрах Земли из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метаморфические горные породы: сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

Горные породы магматического, метаморфического происхождения и сцементированные осадочные породы обладают жесткими связями между частицами и агрегатами и относятся к классу скальных грунтов. Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к классу дисперсных или нескальных грунтов.

2 - Составные части грунтов.

В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц (твердых тел), воды (жидкого тела) и воздуха или иного газа (газообразного тела). Таким образом, составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов.

Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда его называют грунтовой массой. В большинстве случаев в грунте кроме твердых частиц и воды имеется воздух или иной газ, растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, или свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой.

В мерзлом грунте содержится лед (пластичное тело). Лед придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать при строительстве в условиях вечной мерзлоты. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.

В некоторых грунтах содержатся органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества органических веществ в грунте (свыше 3 % в песках и 5 % в глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.

Рисунок 2 – Состав грунта:

1 – инертные минералы; 2 – растворимые минералы;

3 – коллоидно – активные минералы; 4 – органическое вещество

3- Классификация и типы грунтов оснований на участке строительства.

В соответствии с ГОСТ 25 100 – 95 «Грунты. Классификация» все грунты классифицируются по характеру структурных связей (классы); по происхождению (группы); по условиям образования (подгруппы) по петрографическому и гранулометрическому составу, степени неоднородности и числу пластичности (тип); по структуре, текстуре, составу связующего вещества, плотности сложения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ, по степени уплотнения от собственного веса (вид). ГОСТ 25 100 – 95 разделяет все грунты на два класса: грунты с жесткими структурными связями (класс скальных грунтов); грунты без жестких структурных связей (класс нескальных грунтов). В зависимости от предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии (R_c) скальные грунты естественного или искусственного происхождения делят на скальные (R_c ≥ 5 МПа) и полускальные (R_c < 5 МПа).

Искусственные скальные породы могут быть получены закреплением грунта в природном залегании различными методами: силикатизацией, цементацией, смолизацией, термической обработкой и др.

Пески относят к группе обломочных несцементированных грунтов, подгруппе обломочных песчаных. Наиболее важные показатели, характеризующие несущую способность песчаных грунтов, приведены в таблице 2.5.

К классу нескальных относят грунты: валунные, галечниковые, гравийные, песчаные, пылеватые и глинистые (супеси, суглинки и глины), лессовые, илы, биогенные почвы (сапропель, торф), искусственные (уплотненные, насыпные, намывные).

Валунными считают грунты с содержанием частиц крупнее 200 мм более 50 %, галечниковые – с частицами крупнее 10 мм более 50 %; гравийные – масса частиц крупнее 2 мм более 50 %.

К глинистым грунтам относят лессы (макропористые грунты), у которых поры видны невооруженным глазом. Лессы – пылевато-глинистые грунты, содержащие более 50 % (по массе) пылеватых (размером 0,05 – 0,005 мм) частиц, легко- и среднерастворимые соли и карбонаты кальция. В сухом состоянии лессовые грунты содержат вертикальный откос и выдерживают нагрузку до 0,1 - 0,3 МПа. При замачивании водой лессовые грунты теряют свои прочностные характеристики, так как коренным образом меняется их структура.

В зависимости от структуры глинистые грунты могут быть просадочными и набухающими. Просадочные грунты под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании дают просадку и характеризуются относительной просадочностью ε_Sl

(отношение уменьшения высоты замоченного образца грунта при давлении, ожидаемом после возведения сооружения, к высоте образца грунта с природными влажностью и давлением).

При ε_Sl < 0,01 грунты считают непросадочными, при ε_Sl > 0,01 – просадочными; при ε_Sl = 0,01 … 0,05 – малосжимаемыми, при ε_Sl > 0,05 – сильносжимаемыми.

К набухающим относят грунты, которые при замачивании увеличиваются в объеме и характеризуются относительным набуханием без возможности бокового расширения ε_Sω (отношение увеличения высоты замоченного образца к его начальной высоте при естественной влажности). В зависимости от значения ε_Sω грунты разделяют на набухающие (ε_Sω < 0,12) и сильно набухающие (ε_Sω > 0,12).

Набухающие делятся на слабо набухающие (0,04 ≤ ε_Sω ≤ 0,08) и средне набухающие (0,08 ≤ ε_Sω ≤ 0,08).

4 - Виды воды в грунте.

Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. Можно выделить следующие состояния воды в грунте: кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная.

Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.

Вода, заполняющая поры грунта («поровая вода»), может растворять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. При этом происходит обмен ионов с переходом ионов водорода в раствор. В результате на поверхности тонкодисперсных (глинистых) частиц возникает отрицательный электрический заряд, а вокруг самих частиц образуется электрическое поле.

Молекулы воды в целом электронейтральны, но, поскольку атомы водорода и кислорода расположены в них несимметрично, они представляют собой слабые диполи, один конец которых соответствует положительному, а другой – отрицательному заряду. Электрическое поле поверхности частиц притягивает катионы грунтового раствора, образуя диффузные оболочки.

Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности составляют около 1000 МПа. По мере удаления от этой поверхности удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля.

Вне пределов, ограниченных этим расстоянием, вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной. Она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами. Свободной является вода гравитационная (перемещающаяся под действием силы тяжести) и капиллярная.

Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной – она связана с твердыми частицами. Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц, и ее часто называют пленочной водой. Поскольку в пределах слоя адсорбированной воды удельные силы изменяются от очень больших величин до нуля, его принято делить на два слоя: прочно связанной и рыхло связанной воды.

Прочно связанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. Прочно связанная вода не отделяется от твердых частиц даже при воздействии сил, в десятки раз превышающих силы земного притяжения. Она замерзает при температуре значительно ниже 0 ^оС, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью4 такую воду можно отделить от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 ^оС.

Рыхло связанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочно связанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочно связанной воды, но эти свойства выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в ее слое удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды.

5 - Газообразная составляющая грунта.

Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Метан, сероводород, угарный газ ядовиты. Они могут содержаться в грунте в концентрациях, опасных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках. Интенсивность газообмена между атмосферой и грунтом зависит от состава и состояния грунта и повышается с увеличением содержания и размеров трещин, пустот и пор. В газообразной составляющей всегда присутствует пары воды.

Газ содержится в грунтах в виде пузырьков, окруженных поровой водой, в растворенном виде (в поровой воде) или в свободном виде (воздух, сообщающийся с атмосферой). Пузырьки газа, содержащиеся в относительно крупных порах грунтов, а также газ, растворенный в поровой воде, придают грунтам свойство упругости. Это в свою очередь влияет на сжимаемость и деформируемость грунтов во времени. Газ, сообщающийся с атмосферой, не влияет на распределение давления между твердыми частицами грунта и поровой водой.

6 - Структура, текстура и связность грунтов.

Структурой грунтов называют их строение, то есть взаимное расположение отдельных минеральных частиц или агрегатов частиц, на которые могут распадаться грунты. Образование структурных связей – длительный процесс видоизменения горной породы. Структура зависит свойств минеральных частиц (минералогический состав, размеры, форма) и свойств среды, в которой образуется грунт. Различают три основных типа структуры грунтов осадочного происхождения: зернистую, сотообразную (губчатую) и хлопьевидную.

Зернистая структура характерна для несвязных грунтов (песок, гравий и др.). Взаимное расположение отдельных частиц в грунте зависит от условий их отложения и может изменяться от рыхлого до плотного. Рыхлая зернистая структура образуется при большой концентрации частиц в потоке воды, из которого они выпадают.

Сотообразная (губчатая) структура свойственна глинистым грунтам. Глинистые частицы, имея на поверхности заряд статического электричества, при оседании в воде остаются в том же положении, в каком они коснулись ранее отложившегося осадка.

Хлопьевидная структура образуется при осаждении в воде коллоидных частиц. Эти частицы обычно длительное время находятся в воде во взвешенном состоянии под влиянием броуновского движения и осаждаются в процессе коагуляции с образованием сплошной хлопьевидной структуры.

Текстурой грунтов называют их сложение, зависящее от условий накопления осадка. Например, в озерах ледникового периода образовались глинистые отложения с характерной слоистой структурой.

Эти отложения представляют собой чередующиеся тонкие слои из глинистых частиц, выпадавших в зимний период со льдом, и из пылеватых и песчаных частиц, оседавших в теплый период года.

Различают слоистую, сыпучую и слитную текстуру. Слоистая текстура – это наиболее распространенный вид сложения грунтов, характерный для морских, озерных и других отложений.

Сыпучая текстура характерна для несвязных грунтов – песков, гравелистых грунтов и др.

Слитная текстура присуща морским отложениям, а также лессовидным грунтам эолового происхождения.

Связность между отдельными твердыми частицами грунтов, определяющая структурную прочность последних, поскольку прочность самих твердых частиц значительна и обусловлена прочностью минералов, из которых они состоят, зависит от структурных связей двух видов: водно – коллоидных и кристаллизационных.

Водно – коллоидные связи обусловлены наличием пленок связанной воды вокруг твердых частиц. Эти связи вязкопластичные, обратимые. При увеличении влажности они уменьшаются до величин, близких к нулю, а при уменьшении влажности возрастают.

Кристаллизационные связи имеют сложное происхождение, в частности, они возникли в результате химических процессов в точках контактов частиц и вследствие старения коллоидов. Эти связи хрупкие – при разрушении не восстанавливаются.

Структурные связи зависят от строения грунта (взаимного расположения частиц), его плотности и влажности.

.7 - Основные физико - механические характеристики грунтов.

К основным физико-механическим характеристикам грунтов относят: плотность грунта; плотность сухого грунта; природную влажность и ряд других, часть из них определяют опытным путем. На основе этих известных характеристик вычисляют производные характеристики, определяют вид и состояние грунтов по плотности, влажности, сжимаемости в соответствии с ГОСТ 25100-95.

Плотность сухого грунта r_d определяется по формуле:

r_{d =} r / (1 + W) , (2.1)

где r - плотность грунта, т/м³;

W – природная влажность

Тип глинистого грунта определяется по числу пластичности в соответствии с ГОСТ 25100-95.

Число пластичности I_p вычисляется по формуле:

I_p = W_L - W_{p ,} (2.2)

где W_L – влажность на границе текучести;

W_p – влажность на границе раскатывания.

Показатель текучести грунта I_L вычисляется по формуле:

I_L = (W - W_p)/(W_L - W_p) , (2.3)

Глинистые грунты различаются по показателю текучести согласно ГОСТ 25100-95.

Коэффициент пористости е представляет собой отношение объема пор к объему твердых частиц:

е = (r_s - r_d)/r_d , (2.4)

где r_s – плотность частиц грунта.

Коэффициент пористости используется для оценки плотности сложения песков.

Степень влажности S_r представляет собой отношение естественной влажности к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой:

S_r = W r_s / е r_W , (2.5)

где r_W – плотность воды.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты подразделяют в соответствии с ГОСТ 25100-95.

Для предварительной оценки просадочности и набухания глинистого грунта при замачивании определяется показатель П:

П = (е_L – е)/(1 + e), , (2.6)

где е_L - коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе текучести W_L , определяемый по формуле:

е_L = W_L r_s / r_W , (2.7)

Если П/0,3, то при предварительной оценке грунты относятся к набухающим.

К просадочным относятся лессы и лессовидные грунты (а также некоторые виды покровных глинистых грунтов) со степенью влажности S_r ¢ 0,8 , для которых величина показателя П меньше значений, приведенных в таблице 2.1.

Коэффициент относительной сжимаемости грунта:

m_v = m₀ /(1 + e) , (2.8)

где m₀ – коэффициент сжимаемости

Модуль общей деформации определяется по формуле:

Е₀ = b / m_v , (2.9)

где b - безразмерный коэффициент, зависящий от коэффициента общей относительной поперечной деформации Условное расчетное сопротивление грунта R₀ принимается по таблицам 1… 6 приложения 3 СНиП 2.02.01-83.

Все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений физико-механических характеристик грунтов. Расчетные характеристики грунтов определяются по формуле:

x = x_n / g_q , (2.10)

где x_n – нормативное значение данной характеристики

g_q – коэффициент надежности по грунту; принимается =1 для всех характеристик кроме r, w, с.

Нормативные значения угла внутреннего трения w_n, удельного сцепления с_n и модуля деформации Е допускается принимать по табл. 1 … 3 рекомендуемого приложения 1 СНиП 2.02.01-83. Расчетные значения характеристик в этом случае принимаются при следующих значениях коэффициента надежности по грунту:

- в расчете оснований по деформациям g_q = 1;

- в расчете оснований по несущей способности:

для удельного сцепления g_q(с) = 1,5;

- для угла внутреннего трения песчаных

грунтов g_q(w) = 1,1;

- для угла внутреннего трения пылевато-глинистых

грунтов g_q(w) = 1,15.

Расчетные значения характеристик грунтов с, w и g для расчетов по несущей способности обозначаются с_I, w_I, g_I , а по деформациям с_II, w_II, g_II.

Все определенные физико – механические характеристики грунтов, слагающих строительную площадку, сводятся в таблицу 2.4.

Таблица 2.4

Наиме- нование грунта	Определенные (заданные)							Вычисленные
	Мощ-ность, м	Плот- ность грунта r, т/м3	Плот- ность частиц грунта rs, т/м3	Природная влаж-ность W	Влаж ность на преде ле теку-чести WL	Влажность На границе раскатывания Wp	Плотность скелета грунта rd, т/м3		Число пластичности Ip	Показатель текучести IL	Коэф-фициент порис-тости е
1	2	3	4	5	6	7	8		9	10	11

Продолжение таблицы 2.4

Вычисленные
Степень влажно сти Sr	Показа тель П	Модуль деформации Е0 МПа	Расчетное сопротив- ление R0, кПа	Для расчета оснований
				по несущей способности				по деформациям
				удельный вес, gI , кН/м3	угол внутрен-него трения wI, град.	сцеп-ление сI кН/м2	удельный вес, gII, кН/м3		угол внутрен-него трения wII, град.	сцепле-ние сII , кН/м2
12	13	14	15	16	17	18	19		20	21

8 - Классификация и типы грунтовых оснований.

На основе анализа показателей физико - механических свойств грунтов необходимо сделать вывод о возможности использования в качестве естественного основания в первую очередь ближайшего к поверхности, а затем всех грунтовых пластов, слагающих строительную площадку. Каждый слой грунта оценивается с точки зрения однородности, сжимаемости, прочности, а также возможных изменений этих свойств во времени и от различных обстоятельств.

Грунт считается малосжимаемым, если для него коэффициент относительной сжимаемости m_v ¢ 0,05 МПа^-1. Грунты относятся к сильносжимаемым при m_v $ 0,5 МПа^-1 и Е₀ ¢ 5 МПа. Глинистый грунт считается слабым, если коэффициент пористости для супеси е$0,7, суглинка е$1,0 и для глины е$1,1, а также если он находится в текучепластичном или текучем состоянии. Прочными являются грунты в полутвердом и твердом состояниях.

При наличии слабых или сильносжимаемых грунтов (рыхлые пески, заторфованные грунты, просадочные грунты и др.) мощностью до 3 м необходимо пройти эту мощность грунтов, оперев подошву фундамента на более прочный, малосжимаемый нижерасположенный грунт. Если прочность слабых грунтов превышает 3 м или имеются прослойки слабых грунтов, то эти грунты можно использовать в качестве основания лишь с применением инженерных мероприятий (уплотнение, закрепление грунтов различными способами), которые позволят повысить прочность слабых грунтов и уменьшить возможные неравномерные осадки грунта под зданием.

Классификация и типы грунтовых оснований

Итак, грунтом называют горные породы, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, находящиеся в пределах зоны выветривания земли и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека.