Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Ответы на ГОС экзамен Геотехника (магистратура) - файл n1.docx


Ответы на ГОС экзамен Геотехника (магистратура)
скачать (2967.8 kb.)

Доступные файлы (1):

n1.docx2968kb.01.01.2013 11:15скачать

Загрузка...

n1.docx

  1   2   3   4   5   6   7
Реклама MarketGid:
Загрузка...

  1. Грунт, его определение и особенности свойств по сравнению с другими материалами.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения.

Термин «грунт» широко применяют в строительстве, заменяя более широкий термин «горная порода», который используется в геологии, географии, горном и геолого-разведочном деле.

Закономерности состава и строения грунтов теснейшим образом связаны с условиями их происхождения. В инженерной геологии, происхождение грунтов детально изучено для разных условий. Происхождение положено в основу классификации грунтов.

Все грунты разделяются на естественные — магматические, осадочные, метаморфические — и искусственные — уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Магматические горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов магмы в верхних слоях земной коры, а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава.

Осадочные горные породы образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее.

Метаморфические горные породы образуются в недрах из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов.

К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные материалами, приводящими к возникновению жестких связей. К классу нескальных искусственных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в природном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые промышленные отходы.


  1. Классификация по ГОСТ 25100-95 (Грунты. Классификация).

В соответствии с ГОСТ 25100-95 все грунты классифицируют в зависимости от происхождения и условий образования, характера структурных связей между частицами, состава и строительных свойств грунтов.

Грунты подразделяют на два основных класса: скальные и нескальные.

Скальные грунты — это грунты с жесткими структурными связями, к которым относятся магматические, метаморфические, осадочные сцементированные и искусственные.

Скальные грунты подразделяются на разновидности в зависимости от предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, по степени размягчения в воде, растворимости и др.

Нескальные грунты — это грунты без жестких структурных связей. К нескальным грунтам относят рыхлые горные породы, включающие несвязные (сыпучие) и связные породы, прочность которых во много раз меньше прочности связей минералов, слагающих эти породы. Характерной особенностью этих грунтов является их раздробленность, дисперсность, что коренным образом отличает их от скальных весьма прочных пород.

В состав грунтов входят твердые минеральные частицы, вода в различных видах и состояниях и газообразные включения. В состав некоторых грунтов входят органические соединения.

Твердые минеральные частицы грунта представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам зерен. Размеры зерен колеблются от десятков сантиметров для валунов до   мельчайших   коллоидных   частиц.

Нескальные грунты по размерам минеральных частиц подразделяют на следующие виды:

- крупнообломочные с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по массе;

- песчаные;

- пылевато-глинистые.

По плотности сложения песчаные грунты подразделяют на виды в зависимости от значения коэффициента пористости.

Среди пылевато-глинистых грунтов необходимо выделять грунты, проявляющие специфические неблагоприятные свойства при замачивании,— просадочные и набухающие. К просадочным относятся грунты, которые под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании водой дают осадку, называемую просадкой.

К набухающим относятся грунты, которые при замачивании водой или химическими растворами увеличиваются  в  объеме,  и  при  этом относительное набухание без нагрузки составляет esme0,04.


  1. Составные части (фазы) грунта. Характеристики физических свойств.

В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха или иного газа, т. е. 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 такой грунт называют грунтовой массой. В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, либо растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой.

В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.
В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества таких веществ в грунте, существенно отражается на его свойствах.

Для оценки строительных свойств грунтов пользуются рядом его характеристик.

Изобразим схему 1 см3 грунта (3-х фазная система).



1-ая группа характеристик, определяемых опытным путем.

1. Плотность грунта ненарушенной (естественной) структуры: т/м3

Удельный вес грунта: (кН/м3) [15…22 кН/м3]
2. Плотность твердых частиц грунта: т/м3

Удельный вес твердых частиц: (кН/м3) [25…28 кН/м3]
3. Весовая влажность грунта: % (изменяется в широких пределах и особенно важна для глинистых грунтов)
2-ая группа характеристик, определяемых расчетами.

1. Плотность сухого грунта: т/м3

Удельный вес сухого грунта: (кН/м3) [10…19 кН/м3]

; отсюда
2. Пористость грунта:

Если обозначить: n – объем пор в единице объема грунта; m – объем твердых частиц в единице объема грунта. n + m = 1
3. Коэффициент пористости грунта:

Для слабых грунтов может быть и больше (до 12 – в торфах).

тогда (2)

(3) m (4)


  1. Виды воды в грунтах. Свойства различных видов воды.

Вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Твердые частицы грунта, состоящие из тех или иных обычно кристаллических минералов, имеют на поверхности заряд статического электричества, чаще всего отрицательный. Молекулы же воды, являясь диполями, и ионы различных веществ противоположного заряда, растворенных в грунтовой воде, попадая в поле заряда частицы грунта, ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности этой частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды, адсорбированных на поверхности твердой частицы с ее наружной стороны, будет иметь заряд, аналогичный заряду поверхности твердой частицы, и, следовательно, станет воздействовать на близко расположенные другие молекулы воды. Таким образом возникают достаточно стройные цепочки молекул воды (рис. 1.2).

Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее 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. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной.

Прочносвязанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует твердому, а не жидкому телу. Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0°С, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью; такую воду можно отделять от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С.картинка

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды (см. рис. 1.2, б).

Связность (прочность) грунта, зависящая от толщины слоя рыхлосвязанной воды, может резко снижаться при нарушении определенного расположения молекул воды и частиц (например, при динамических воздействиях или перемятии). Со временем возможно восстановление прочности (явление тиксотропии).
Итак, пылевато-глинистые грунты, особенно содержащие коллоидные частицы, обладают свойствами пластичности, связности, ползучести, набухаемости при увлажнении, усадки при высыхании, размокаемости, водонепроницаемости, тиксотропности и т. д.
Рис, 1.2. Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной поверхности частицы грунта (а) и график сил взаимодействия между поверхностью частицы грунта и молекулами воды (б)
1 — прочносвязанная   вода;      2 — рыхло-связанная вода; 3 — свободная вода



  1. Связаная вода. Ее природа.

Выделяют две категории воды в горных породах - свободную и связанную. Связанная вода находится и удерживается в наиболее мелких порах и трещинах горных пород и испытывает со стороны поверхности твердой фазы минералов "связывающее" влияние разной природы и интенсивности, изменяющее ее структуру и придающее ей аномальные свойства, то есть не такие, как у обычной, свободной воды. Суммарное содержание связанной воды в литосфере Земли составляет около 42% от общего количества воды в земной коре. Однако связанную воду не так просто извлечь из породы, в которой она находится. Под действием поверхностных сил разной природы она относительно прочно удерживается на поверхности минералов, не подчиняется силам гравитации и ее передвижение в породах может происходить лишь под влиянием сил иной природы.

Первые представления о связанной воде возникли почти сто лет назад.

строение единичной молекулы воды

Рис. 1. Строение единичной молекулы воды: а - структура; б - модель электронных орбиталей; в - распределение зарядов (r - длина связи Н-Н, равная 1,41*10-4 мкм; l - длина связи Н-О, равная 0,96*10-4 мкм; a - угол Н-О-Н, равный 104,5њ).

К настоящему времени достаточно хорошо изучено строение единичной молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Она характеризуется дипольным строением и тетраэдрическим распределением зарядов: два положительных - на атомах водорода, два отрицательных - на неподеленных парах электронов атома кислорода (рис. 1). Такое строение молекулы воды позволяет ей образовывать до четырех водородных связей с соседними молекулами.
    Многочисленными экспериментами, было установлено, что некоторые свойства связанной воды, находящейся в породах в виде тонких, так называемых граничных, слоев вблизи твердой поверхности, существенно отличаются от свойств обычной свободной воды. Их стали называть аномальными. В последнее время было убедительно установлено, что плотность связанной воды в тонких пленках повышена всего лишь на 1,5% по сравнению со свободной водой и составляет в среднем около 1,02 г/см3.

Основная причина понижения температуры замерзания связанной воды - взаимодействие ее с твердой минеральной поверхностью, точнее - с ее активными центрами. Энергия взаимодействия молекул воды с активными центрами поверхности минералов, а также с находящимися в поровом растворе ионами больше, чем энергия взаимодействия молекул воды между собой. Это и приводит к тому, что активный центр нарушает сетку водородных связей в воде, а фазовый переход осуществляется лишь при более низкой температуре. Не менее интересным свойством связанной воды в горных породах является ее пониженная по сравнению со свободной водой растворяющая способность. Связанная вода способна растворять меньше солей, чем обычная вода. Это обстоятельство также является следствием измененной структуры связанной воды.

Другое аномальное свойство связанной воды - понижение ее диэлектрической проницаемости в несколько раз по сравнению со свободной водой. Если для обычной воды диэлектрическая проницаемость равна 81, то для связанной воды эта величина уменьшается до 3 - 40, в зависимости от толщины водной пленки.


  1. Влияние связаной воды на свойства грунта.

Влияние связанной воды на состояние пород наиболее сильно проявляется у дисперсных, состоящих из отдельных частиц, горных пород, особенно таких, как глинистые и лёссовые. Это объясняется тем, что дисперсные горные породы обладают большой величиной удельной поверхности, достигающей в некоторых глинах 600 - 800 м2/г. А поскольку количество связанной воды в породе в первом приближении пропорционально ее удельной поверхности, то становится понятным, почему именно в глинах содержится больше всего связанной воды.

Глинистые породы предрасположены к воде и всегда содержат связанную воду. Если в них присутствует только адсорбционная вода, то они представляют собой довольно прочные породы твердой консистенции. При наличии в них осмотической и капиллярной воды они приобретают свойство пластичности, податливости, липкости, капиллярной связности, легко деформируются и резко теряют за счет увлажнения свою прочность.

Большое влияние связанная вода оказывает на процессы тепломассопереноса в породах. Поскольку она прочно удерживается в тонких порах и микротрещинах и к тому же обладает повышенной вязкостью, "сдвинуть" эту воду чрезвычайно трудно, она не подчиняется обычным законам фильтрации, осуществляемой под действием гидродинамического напора. Поэтому глины и являются обычно водоупором, не пропускающим грунтовые воды или фильтрующим сквозь себя воду очень медленно.

Очень сильно связанная вода влияет на прочность и деформируемость практически любых горных пород. Она оказывает "расслабляющее и размягчающее" действие на многие горные породы, приводит к понижению их прочности и увеличению деформируемости. Характерным примером ее влияния в этом отношении являются лёссовые породы. Эти породы, в отличие от глинистых, не предрасположены к воде. В них содержится главным образом только адсорбционная связанная вода и частично капиллярная, заполняющая лишь самые тонкие микропоры и микрокапилляры в породе. При этом лёссы обладают достаточной прочностью, так что способны "держать" крутые, почти вертикальные стенки естественных обнажений высотой в десятки метров.

Не в меньшей мере влияние связанной воды сказывается на деформировании и прочности магматических, метаморфических и сцементированных осадочных горных пород. Наличие связанной воды в кристаллической решетке минерала снижает его упругость. Но в еще большей степени на деформируемость и прочность таких пород влияет наличие в микротрещинах, на контактах зерен или кристаллов адсорбционных пленок связанной воды. Они понижают поверхностную энергию минералов горной породы и тем самым облегчают развитие в породе различных механических микронарушений, дислокаций, микротрещин и т.д., особенно в том случае, если порода находится под напряжением. Вследствие этого порода начинает "ползти", она деформируется с той или иной скоростью при том же самом постоянном напряжении. Практически все горные породы можно рассматривать как дисперсные системы, то есть имеющие большую удельную поверхность, образованную внутренними границами раздела между минеральными фазами одинакового или разного состава.



  1. Газовая составляющая грунта. Ее влияние на свойства грунта.

Содержание воды и газа в фунте 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 к другими газами. Необходимо подчеркнуть, что метан, сероводород, угарный газ - ядовиты и 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, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.

Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на не защемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В паровой воде всегда содержится то или иное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

Наблюдения показывают, что при подтоплении территории в обводненном грунте на многие годы, если не на десятилетия, задерживается защемленный газ. Это имеет большое значение, в частности при сейсмическом микрорайонировании. На обводненных грунтах сейсмическая сальность выше. Защемленный воздух поднимает ее дополнительно, так как снижает скорость прохождения сейсмических волн.

Итак, грунт состоит из твердой, жидкой и газообразной компонент. 3 каждой из трех компонент чаше в малом и незначительном, а иногда и в существенном количестве содержатся микроорганизмы. Из всех составляющих грунта наиболее стабильной является твердая компонента. Жидкость (вода) при отрицательных температурах переходит в твердое состояние (лед), может истекать, испаряться. Газ при перемене условий растворяется, вытесняется жидкостью или другими газами. Очевидно, что свойства грунтов -
зависят от состава, состояния и взаимодействия слагающих его компонент.


  1. Природа связанности грунта (сцепление между частицами).

Связность — способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Выражают ее в кг/см2. Связность обусловлена силами сцепления между частицами почвы, зависит от гранулометрического, минералогического и химического составов, влажности, а также оструктуренности почвы и факторов, ее обусловливающих. Наибольшей связностью обладают глинистые почвы и почвы, содержащие большое количество обменного натрия. Оструктуренные почвы характеризуются меньшей связностью. Невысокую связность имеют песчаные почвы. Минимальная связность наблюдается при влажности, близкой к влажности завядания.

Учет связности почвы имеет большое значение для качества выполняемых технологических операций - рыхления, перемешивания почвенных слоев, крошения почвы, вспашки и т. п. Эти приемы должны выполняться при наименьшей связности почвы. Определение такого состояния связано с понятием «физическая спелость почвы».

Связность грунтов характеризуется сцеплением частиц грунта между собой цементирующими веществами. Такие грунты обладают большим трением частиц и сцеплением. К связным грунтам относятся все глины, суглинки и грунты, содержащие в своем составе глинистые и пылеватые частицы.

Причинами слеживаемости могут быть сцепление частиц между собой под давлением, образование новых химических соединений в результате взаимодействия компонентов продукта между собой или с окружающей средой, кристаллизация из растворов, смерзаемость и др. В зависимости от характера причины возможны и различные механизмы самого явления.

В породах, где сцепление частиц осуществляется преимущественно за счет льда, растепление мерзлоты при спуске обсадных колонн приводит к разрушению стенок скважины, значительному увеличению ореола протаивания вокруг скважины, образованию каверн и перерасходу цемента при креплении. Давление, развиваемое замерзающими водонасыщенными породами, зависит от объема зоны растепления. 

Прессование порошков также дает существенное сцепление частиц даже до спекания. 

Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок. 


  1. Региональные (особые) виды грунтов и их основные свойства.

К особым грунтам относятся структурно неустойчивые грунты. При определенных условиях их природная структура сравнительно резко нарушается. К ним относятся:

- лёссовые, структура которых нарушается при замачивании их под нагрузкой;
- мерзлые, 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;

- 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 высокой прочностью и малой деформативностью.

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

К особым видам грунтов также следует отнести биогенные грунты, плывуны, растительные и мерзлые грунты.

Грунты, содержащие значительное количество органических веществ, называются биогенными. К ним относятся заторфованные грунты, торфы и сапронелы (пресноводные илы).

Ил — водонасыщенный современный осадок водоемов, образовавшийся в результате протекания микробиологических процессов, имеющий влажность, превышающую влажность на границе текучести, и коэффициент пористости более 0,9.

Плывуны — это грунты, которые при вскрытии приходят в движение подобно вязкотекучему телу, встречаются среди водонасыщенных мелкозернистых пылеватых песков. Различают плывуны истинные и псевдоплывуны. Истинные плывуны характеризуются присутствием пылевато-глинистых и коллоидных частиц, большой пористостью (> 40%), низкими водоотдачей и коэффициентом фильтрации, особенностью к тиксотропным превращениям, оплыванием при влажности 6—9% и переходом в текучее состояние при 15—17%.

Псевдоплывуны — пески, не содержащие тонких глинистых частиц, полностью водонасыщенные, легко отдающие воду, водопроницаемые, переходящие в плывунное состояние при определенном гидравлическом градиенте.

Почвы или растительные грунты — это природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием. К нескальным искусственным грунтам относятся грунты, уплотненные различными методами (трамбованием, укаткой, виброуплотнением, взрывами, осушением и др.), насыпные и намывные.


  1. Отличие связаных грунтов от несвязаных (сыпучих).

Грунт представляет собой горные породы, залегающие большей частью в зоне выветривания и характеризующиеся как многокомпонентная геологическая система. Грунт можно разделить на три основных типа:

-Скальный грунт;

-Нескальный грунт: связанный (суглинок и глина), несвязанный (пески и супеси);

-Конгломерат.

Несвязанные грунты состоят из зерен различной величины, которые касаются друг друга. Несвязанные грунты не удерживают воду, и наличие воды практически не влияет на трение между зернами. Так как такие грунты не размягчаются, то их несущая способность не зависит от влагосодержания, а только от их плотности. Связанные грунты состоят из суглинка и глины с пластинчатым строением (глиняные лепестки). Вследствие строения поверхности глиняных лепесточков связанные грунты могут набирать воду и удерживать ее. Водовосприятие размягчает поверхность глиняных пластинок, что уменьшает трение между пластинками. При этом изменяется консистенция грунта и уменьшается его несущая способность. При уменьшающемся содержании влаги несущая способность таких грунтов, соответственно, увеличивается.

Нескальный связанный грунт, состоящий из сухой и слежавшейся глины и суглинка, может так же послужить неплохой основой для возведения дома. Но сухая глина встречается крайне редко, чаще всего встречаются мокрые глинистые породы, которые при отрицательных температурах замерзают и деформируются, разрушая фундамент. Такие же неблагоприятные для строительных работ свойства проявляют илистые почвы, торфяники и пылеватые пески с примесью глины. Такой состав почв при прокладке фундамента требует обязательного обустройства амортизационной подушки толщиной не менее 15-20 см. и состоящей из мокрого, утрамбованного, крупного песка.

Нескальный несвязанный грунт, состоящей из песков супесей представляет собой прекрасную основу для строительства. Несвязанный грунт неоднороден по своему составу и содержит множество различных примесей, состав которых и определяет глубину залегания фундамента. Например, в крупных песках с содержанием гравия, минимальная глубина залегания фундамента – 50 см., в сухих, мелких, песчаных почвах – 70 см., в твёрдых глинистых почвах – также 70 см., в пластичных глинах и насыщенных водой песках – 1 м.


  1. Закон ламинарной фильтрации (закон Дарси).

Закон ламинарной фильтрации Дарси устанавливает зависимость скорости фильтрации поровой воды от градиента гидравлического напора. Движение поровой воды называют фильтрацией, а связанные с этим процессы – фильтрационными.

В опытах Дарси измерял расход воды Q 3) при фильтрации ее через цилиндр с песком площадью поперечного сечения А. Им получена следующая экспериментальная зависимость:

Q = k f ·i·A·t , (1)

где kfкоэффициент пропорциональности, названный коэффициентом фильтрации; t – время фильтрации.

Определим понятие скорости фильтрации ?f (м/с) как расход поровой воды через единицу поперечного сечения в единицу времени. Тогда из экспериментальной зависимости Дарси будем иметь:

?f =k f ·i. (2)

Формула известна как закон ламинарной фильтрации Дарси, который можно сформулировать следующим образом: скорость фильтрации поровой воды прямо пропорциональна градиенту гидравлического напора.

Реальные грунты обладают начальным гидравлическим сопротивлением. Это означает, что фильтрационные процессы протекают лишь при гидравлических градиентах, больших определенной величины. Эту величину называют начальным гидравлическим градиентом i0. Величина начального гидравлического градиента, как и коэффициент фильтрации, зависит от вида грунта.

С учетом сделанного замечания запишем окончательное выражение для закона ламинарной фильтрации Дарси:

?f =k f ·(i- i0). (3)


  1. О начальном градиенте в глинистых грунтах.

Начальный градиент-способность грунта противостоять фильтрационному потоку в течение какого-то времени при возрастании напора воды.

Начальный градиент фильтрации i0 величина градиента фильтрации в глинистых грунтах, при котором начинается практически ощутимая фильтрация (рис.1). Закон Дарси с учетом начального градиента фильтрации выражается следующим образом:

?f =k f ·(i- i0) при i ? i0;

?f =0 при i ? i0.

http://www.npp-geotek.ru/publications/public3/m/5.5.gif

Рис.1. Зависимость скорости фильтрации от градиента напора

Так, в глинистых грунтах, особенно плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрации может не возникать (начальный участок кривой). Увеличение градиента приводит к постепенному, очень медленному развитию фильтрации. Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим фильтрации. Во многих случаях исключают из рассмотрения начальный криволинейный участок и закон ламинарной фильтрации для пылевато-глинистых грунтов принимают в виде.

Понятие начального градиента напора впервые установлено опытами Б. Ф. Рельтова и С. А. Роза и связывается обычно с проявлением особых свойств воды в глинистых грунтах, отмеченных в начале настоящего параграфа. С. А. Роза показал, что для плотных кембрийских глин начальный градиент напора может достигать очень больших значений, порядка 10…20.

При действующем градиенте напора меньше начального значения фильтрация в водонасыщенном грунте практически не возникает, а следовательно отсутствует возможность уплотнения грунта.

При расчетах осадок оснований мощность зоны уплотнения иногда ограничивают той глубиной, где выполняется условие.


  1. Закон уплотнения. Компрессионная зависимость, Определение модуля деформации грунта в одометре.

Бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления:

de=-modP

Испытание грунта в приборе трёхосного сжатия ближе отвечает его работе в природных условиях и дает наиболее надежные результаты в определении его прочностных и деформационных свойств.

Поскольку уравнение (2.3) описывает изменение коэффициента пористости ei лишь в пределах секущей АВ (см. рис. 2.2, б), оно дает приближенную зависимость между коэффициентом пористости и давлением. Для большого диапазона изменения давления компрессионная кривая первичного сжатия (прямая CD на рис. 2.3,6) описывается логарифмической зависимостью

картинка(2.5)

где ei — коэффициент пористости при давлении pi; е0 — начальный коэффициент пористости грунта; Сс — коэффициент компрессии (параметр кривой); р0 — давление, при котором начинается первичное сжатие грунта.
Продифференцировав выражение (2.5), получим
de=- Ck dp/p,
где Ck —постоянная величина.
Следовательно, при первичном сжатии изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления и обратно пропорционально суммарному давлению. Эту зависимость применяют либо при рассмотрении деформаций очень слабых грунтов, либо при изменении давления в значительных пределах.
Давление в грунте основания промышленных и гражданских зданий и сооружений обычно изменяется в небольших пределах. Чаще всего оно повышается не более чем до 0,3 МПа и в редких случаях до 0,6 МПа. При таких давлениях секущая АВ (см. рис. 2.2, б) близка к кривой, т. е. для расчетов можно пользоваться уравнением (2.3). Продифференцировав его, получим
de =- m0 dp.    (2.3')
Поэтому закон компрессии грунта формулируется так: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.

   Компрессионная зависимость характеризует:

- коэффициент сжимаемости грунтов mо=tg?

- коэффициент относительной сжимаемости m?=mo/(1+eo)

vt[12хом14

Общий случай компрессионной зависимости характеризуется:

- ?x=?y

- ?z=p

- ?x=0

?=?x+?y+?z=p(1+2??)

Возьмем образец грунта 6 (рис. 2.1), полностью насыщенного водой, и поместим его в кольцо 4 (высотой h) одометра. Кольцо поставим на фильтрующее днище 5 и установим поршень 2 с отверстиями. Одометр поместим в ванночку 3 с водой 1 для исключения капиллярного давления и предотвращения высыхания образца грунта. Когда грунт насыщен водой не полностью, одометр не заливают водой, а окружают влажным пористым материалом, чтобы вода не испарялась из образца. Если к поршню одометра приложить давление р, высота образца уменьшится вследствие уплотнения грунта (уменьшения его пористости). При увеличении давления образец получит дополнительное уплотнение из-за изменения объема пор.

картинка

Рис. 2.1. Схема испытания образца грунта на сжатие в одометре

Одометр  прибор, служащий для определения сжимаемости грунта. Деформации в одометре возможны только в вертикальном направлении, горизонтальные деформации отсутствуют. Вертикальное напряжение изменяется ступенями и является известным, боковые напряжения реактивные и остаются неизвестными. Деформации измеряются в зависимости от усилия, приложенного на штамп. На рис. М.4.2. показана схема одометра.

Поскольку образец грунта в кольце не может иметь бокового расширения, изменение его пористости ?ni под давлением pi, распределенным по площади A, найдем из выражения
?ni = siA/hA = si/h,    (2.1)
где si— осадка от давления pi
Объем твердых частиц в образце грунта до и после деформации остается практически неизменным, так как действующие напряжения не могут ощутимо изменить объем минеральных частиц. Согласно выражению (1.5), объем твердых частиц в единице объема образца грунта составляет:
m=1/(1 + е0),    (1.5')
где е0 — начальный коэффициент пористости грунта.
Делением формулы (2.1) на выражение (1.5') получим изменение коэффициента пористости образца грунта ?ei под действием давления pi
?ei=(1 + е0)si/h.
Исключив значение ?ei из начального коэффициента пористости e0, найдем ei — коэффициент пористости грунта при давлении pi:
ei=e0 - (1 + e0)si/h.    (2.1')
По значениям ei для различных давлений построим кривую е—р (рис. 2.2, а). Для грунтов, не обладающих структурной прочностью, получим компрессионную кривую — ветвь сжатия l. Если теперь разгружать образец грунта, уменьшая давление ступенями, то будет наблюдаться обратный процесс — увеличение объема (набухание). При этом поршень одометра переместиться вверх. Зная величину перемещения и руководствуясь формулой (2.1'), можно построить ветвь набухания 2.
Кривую зависимости коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой, так как она характеризует сжимаемость грунта. Закономерность изменения коэффициента пористости е, установленная К. Терцаги, развита многими советскими учеными (Н. М. Герсевановым, Н. А. Цытовичем, Н. Н. Масловым, М. Н. Гольдштейном и др.).

картинка

Расположение ветви набухания намного ниже ветви сжатия свидетельствует о том, что грунт обладает значительной остаточной деформацией уплотнения. Ветвь набухания соответствует упругим деформациям грунта и деформациям упругого последействия. Процесс набухания протекает продолжительное время, так как вода медленно входит в поры грунта под всасывающим действием скелета, стремящегося занять первоначальный объем, и расклинивающим действием молекул воды, проникающих между частицами. После снятия всей нагрузки образец грунта не может занять первоначального объема вследствие происшедших при уплотнении грунта взаимных смещений частиц, их разрушения (особенно в точках контактов) и установления новых связей между частицами при более плотном состоянии грунта (в результате сближения частиц при уплотнении).


  1. Закон трения. Прочность и характеристики прочности грунта. Их определение.

Прочность грунтов

В настоящее время наиболее оправданной для грунтовых материалов является концепция, по которой разрушение грунта происходит по определенным площадкам скольжения. Эта концепция в развернутом виде состоит из 3-х положений:

  1. Разрушение происходит по площадкам скольжения, определяемым в пространстве главных напряжений ?1>?2>?3 нормалью ? с направляющими косинусами {l,m,n};

  2. Положение площадки определяется некоторыми дополнительными условиями;

  3. На площадке с нормалью ? разрушение происходит по закону сухого трения Кулона, т.е. |??|= с? - tg?*??;

Основные критерии прочности

Критерий прочности Кулона-мора ( для решения плоских задач);

Критерий прочности Хилла- Треска (для решения плоских задач);

Критерий прочности Мизеса-Шлейхера-Боткина (для решения пространственных задач)

Сопротивление грунтов сдвигу (Определяется в лаборатории опытным путем с использованием сдвигового прибора, для грунтов ненарушенной структуры.) Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т. В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р1, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при ?1.Берём второй образец с Р2 и получаем ?2.

Результаты испытаний на сдвиговом приборе могут быть представлены следующей схемой:



Здесь:

? – угол внутреннего трения грунта;

Ре – давление связности;

С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой).

На представленном рисунке приведены результаты испытаний (доведение до разрушений) 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р1< Р2< Р3(левый график представленной схемы). В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига ?max1, ?max2, ?max3, значения которых откладываем на графике ?max=?max(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины (обладающей способностью сцепления).

Таким образом, математическая формулировка III закона механики грунтов, или сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона), может быть представлена зависимостью ? = С + f(Р) или сформулирована в следующим определением:

Сопротивление грунта сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (при консолидированном состоянии грунта).

Представленные зависимости отражают работу грунта при консолидировано-дренированных испытаниях, что чаще всего отвечает работе возводимых сооружений.

Однако в ряде случаев, необходимо получать характеристики грунтов при неконсолидированном-недренированном состоянии – быстрый сдвиг (устойчивость стен котлованов, насыпей и т.д.), что имеет первостепенное значение для глинистых водонасыщенных грунтов.

На приведенной ниже схеме показано, что сопротивление быстрому сдвигу связных водонасыщенных грунтов зависит в основном только от влажности W . Такие грунты будут обладать лишь параметром сцепления (С) при практическом значении угла внутреннего трения равного нулю ??0.

графическая интерпритация неконсолидированно-недренированных испытаний глинистых грунтов.

В современных условиях развития механики грунтов, для определения сопротивления грунта сдвигу существует довольно много приборов и способов:

-Односрезные сдвиговые приборы.

-2-срезные сдвиговые приборы.

-Приборы 3-осного сжатия (стабилометры).

-Зондирование.

-Искусственное обрушение откосов.

-Лопастные испытания (крыльчатка).

-Метод шарикового штампа.

Каковы пределы изменения ??

Для сыпучих грунтов (песков)

Для глинистых грунтов; ? = f(W)

Мелкие пески

Крупные пески

Текучее состояние

Твёрдое состояние

? от 24°

? до 40°

? = 0

? до 45°

? – основная прочностная характеристика грунта.

Таким образом, качество проводимых испытаний грунтов и точность определения величин ? имеют решающие значение при расчете сооружений по устойчивости, прочности.

Какой вид имеет закон Кулона для несвязного грунта? Что называется углом внутреннего трения песка?


Закон Кулона для несвязного грунта имеет следующий вид (рис.М.11.4,а):

http://www.npp-geotek.ru/publications/public3/m_11/image2542.gif

где   угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения следует рассматривать как параметр линейного графика среза образца песчаного грунта, который проведен через начало координат.

Однако в ряде случаев диаграмма может иметь начальный участок c0, называемый зацеплением. Обычно величина этого зацепления очень невелика.

http://www.npp-geotek.ru/publications/public3/m/11.4.1.gifhttp://www.npp-geotek.ru/publications/public3/m/11.4.2.gif

Рис.М.11.4. Результирующая схема испытания прямым срезом:
а - песчаный грунт; б - глинистый грунт




  1. Испытания грунта в приборе трехосного сжатия (стабилометре).

Испытания цилиндрических образцов грунта проводятся в условиях осесимметричной деформации, в рабочей камере, схема которой показана на рис. 1 а. Образец грунта имеет отношение высоты к диаметру, как правило, не менее 2. Обычно диаметр образцов принимается равным 38 или 50 мм, значительно реже, диаметром 100 мм. При испытании крупнообломочных грунтов используются образцы с диаметром 200 мм и более.

Трёхосному (объёмному) напряжённому состоянию грунт подвергается в стабилометре.

Основные положения методики заключаются в следующем. В начале опыта создается гидростатическое равновесие главных напряжений. Затем ступенями образец грунта загружается вертикальной нагрузкой, при которой боковое давление сохраняется постоянным. Испытание проводится до разрушения образца. В результате каждого опыта определяются основные характеристики сжимаемости: модуль общей деформации и коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона).

Таким образом, образец грунта в стабилометре будет находиться в объемно-напряжённом состоянии.

Если вырезать из образца грунта элементарный параллелепипед с гранями перпендикулярно главным нормальным напряжениям Р1 и Р2, то такой образец будет испытывать лишь сжатие со всех сторон без возможности разрушения. Однако параллелепипед грунта ориентированный под углом ? по своим граням будет испытывать кроме сжимающих усилий Р? еще касательные усилия ?? (касательные напряжения).

Именно касательные напряжения ?? вызывают смещение отдельных частиц грунта относительно друг друга и приводят к разрушению образца грунта в целом. В момент такого разрушения или предельного состояния грунта определяются его прочностные и деформационные свойства.

Проведение испытаний или доведение образца грунта до разрушения (предельного состояния) зависит от соотношения значений главных нормальных напряжений и условий испытаний.

В практике исследований используется большое число стабилометров различной модификации и размеров в зависимости от решения поставленной задачи. Так на левой фотографии представлен прибор стабилометр, предназначенный для исследования мелкодисперсных грунтов. На правой фотографии также представлен стабилометр, но уже для исследования крупнодисперсных грунтов.

элипс напряжений, построенный на осях главных напряжений. Р1 ? Рполн ? Р2элипс наряжений - апраксимация напряжённого состояния точки грунта в условиях объёмного напряжённого состояния.- Общее уравнение эллипса. круг мора - графическое представление изменений напряжений в точке грунта в зависимости от ориентации рассматриваемой площадки.

Напряжённое состояние в элементарном образце грунта (в данной точке) весьма наглядно отображается при помощи эллипса напряжений, построенного на осях главных напряжений.
схема испытаний образца грунта в стабилометре, в условиях объёмного напряжённого состояния.

                           a)                                     б)

Рис. 1. Конструкция рабочей камеры (а) и схема нагружения образца грунта (б)

Существует два типа приборов. Прибор типа А используется при определении прочностных и деформационных характеристик песчаных и глинистых грунтов в условиях предварительного изотропного обжатия (консолидации), т.е. когда http://www.npp-geotek.ru/tests/soils/lab/trehosnoe/images/clip_image006.gif. Прибор типа Б рекомендуется использовать при определении прочностных и деформационных характеристик грунтов в условиях предварительной анизотропной консолидации, т.е. когда http://www.npp-geotek.ru/tests/soils/lab/trehosnoe/images/clip_image008.gif. В последнем приборе возможно проведение испытаний и в условиях изотропного сжатия. В России принято приборы трехосного сжатия называть стабилометрами. Стабилометр типа А, рекомендуется использовать для определения характеристик прочности грунта, а стабилометр типа Б как для прочностных, так и деформационных характеристик грунтов. В ГОСТ 12248-96 приведена методика, которая позволяет применять стабилометр типа А для определения прочностных и деформационных характеристик грунтов. В стабилометре типа А можно провести испытания только при изотропной консолидации (http://www.npp-geotek.ru/tests/soils/lab/trehosnoe/images/clip_image010.gif), а в стабилометре типа Б, как при изотропной, так и анизотропной консолидации (http://www.npp-geotek.ru/tests/soils/lab/trehosnoe/images/clip_image012.gif). Специальные устройства подключаются к стабилометру и позволяют управлять как измерением изменения объема образца по величине объема жидкости вытесняемой из рабочей камеры стабилометра (или образца), так и величину обратного давления, создаваемого внутри образца грунта . Первое устройство выполняет автоматический контроль управление/измерение изменением объема или давления. Второе устройство выполняет подобную функцию, но в ручном режиме контроля изменения объема образца и обратного давления. Преимущество стабилометров с непрерывным нагружением осевой нагрузки (мм/мин) заключается в том, что эти испытания позволяют определить следующие параметры прочности: критическое значение угла внутреннего трения,?; пиковое значение угла внутреннего трения,?max; остаточное значение угла внутреннего трения, ?rest; угол дилатанции, ?, силу сцепления с. Испытания при статическом нагружении дают только критическое значение угла внутреннего трения, ?, и силы сцепления с. В тоже время, в отличие от компрессионных приборов, испытания в стабилометре можно провести в условиях близких к природным, учитывая начальное напряженное состояние в естественном массиве грунта Боковое давление, которое не регулируется в одометре, в стабилометре принимается равным горизонтальным напряжениям на глубине отбора монолита грунта, а вертикальные напряжения задаются равными бытовым (от собственного веса вышележащих слоев грунта). схема формирования поверхностей скольжения в момент предельного состояния для фундамента глубокого заложения.


  1. Фазы напряженного состояния грунта при беспрерывном возрастании нагрузок (зависимость S=f(p))
  1   2   3   4   5   6   7



Скачать файл (2967.8 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации