Механические свойства грунтов Прочностные и деформационные свойства ГОСТ

Ползучесть (по ГОСТУ) u Ползучесть - развитие деформаций грунта во времени при неизменном напряжении. u Стадия незатухающей (не установившейся) ползучести процесс деформирования грунта с постоянной или увеличивающейся скоростью при неизменном напряжении

Деформации основания Исакиевского собора (по Дашко и др. ) – следствие ползучести http: //georec. narod. ru/mag/2002 n 5/7/7. htm Надежный слабосжимаемый грунт Слабый сильно сжимаемый грунт (ползучий грунт) Надежный слабосжимаемый грунт

Теория упругости. Закон Гука. Упругая деформация сжатия и/или растяжения прямопропорциональна напряжению: ε = Рх/Е, где ε – относительная деформация Рх – напряжение (давление), МПа Е- модуль Юнга, МПа

ε, м Закон Гука α tgα = E- геометрический смысл модуля Юнга Рх, МПа

Физический смысл модуля Юнга Модуль Юнга (Е, Мпа)- отражает пропорцию между относительной линейной деформацией м напряжением. Он определяется составом и свойствами материала (в нашем случае грунтов) и изменяется в зависимости от состава и свойств последних. Не зависит от величины сжимающего напряжения.

Упругие деформации Упругая деформация- относительное изменение размера и формы тела под воздействием внешней нагрузки. После снятия нагрузки форма и размеры восстанавливаются.

Упругие деформации По направленности деформации подразделяются на продольные (относительно направления приложенной нагрузки) и поперечные. Относительная продольная деформация: x= (h 1 -h 2)/h 1 Относительная поперечная деформация: y= (S 2 -S 1)/S 1

Коэффициент Пуассона ( ) Коэффициент Пуассона – отношение относительных линейных деформаций тела в направлении, поперечном действию нагрузки к относительной линейной деформации в продольном направлении: = ε y/ε x

Коэффициент сжимаемости ( ) и модуль объемной деформации (К) упругих тел u Для случая всестороннего равномерного сжатия твердого тела закон Гука принимает вид: где p=(pх+py+pz )/3. Величину р называют средним нормальным напряжением.

Коэффициент сжимаемости (m 0) и модуль объемной деформации (К) упругих тел u Исходя из предыдущего можно найти выражение для коэффициента сжимаемости или обратной ему величины - модуля объемной деформации К упругой среды: Не зависит от величины сжимающего напряжения.

Компрессионные испытания u 5. 4. 1. 1 Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости mo, модуля деформации E, к-та консолидации. . . u 5. 4. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах)…, исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой.

Деформации При сжатии в компрессионном приборе происходит уменьшение объема и (в первую очередь) уменьшение объема пористого пространства (и, следовательно, кта пористости). Это позволяет выразить объемную деформацию через изменения значений к-та пористости е.

Компрессионные испытания (ГОСТ 12248 -96)

Приборы компрессионного сжатия

Деформация грунтов Грунт не является идеально-упругим телом. В глинистых грунтах, наряду с упругими, проявляются и пластичные деформации, что нарушает линейный характер зависимости между напряжением и деформацией.

Компрессионная кривая- гиперболический график зависимости нагрузок и коэффициента пористости е Коэффициент пористости (функция объема- деформации) е 0 i ступень нагрузки e 1 e 2 i+1 ступень нагрузки Прямолинейный отрезок Р, МПа Рs P 1 P 2 вертикальное давление е 0 - первоначальное природное значение к-та пористости, Рsминимальное давление, при котором начинается заметная деформация

Коэффициент поперечной деформации β-коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе β=1 - (2 2/(1 - )) Коэффициент (коэффициент Пуассона) определяется по данным трехосных испытаний. Если эти данные отсутствуют, его значения принимается равными: - Для песков и супесей: 0. 30 -0. 35 - Для твердых суглинков и глин: 0. 2 -0. 3 - Для полутвердых суглинков и глин: 0. 30 -0. 38 - Для туго-текучепластичных суглинков и глин: 0. 38 -0. 45

Модуль деформации (Е, МПа) - коэффициент пропорциональности линейной связи между приращениями давления на образец и его объемной деформацией. По своей природе он аналогичен модулю объемной деформации (К) в законе Гука, но зависит от величины сжимающего напряжения. При определении Е объемная деформация V приблизительно соответствует изменениям коэффициента пористости е на соответствующих ступенях деформации: V е

Относительная сжимаемость на i-той ступени Коэффициент относительной сжимаемости (относительной вертикальной деформации) на i-той ступени нагрузки определяется как отношение величины высоты, на которую изменился образец от данной нагрузки к изначальной высоте сжимаемого образца: εi = Δhi/h

Расчет коэффициента пористости на i-ой ступени нагрузки К-т пористости на i-ой ступени нагрузки вычисляется как: е 0 - начальный (исходный) к-т пористости еi- к-т пористости на i-той ступени нагрузки i- относительная сжимаемость при i-той ступени нагрузки

Расчет модуля деформации В соответствии с ГОСТ 12248 -96 модуль общей деформации Е вычисляется по формулам: Еi-(i+1)= ((Рi – Pi+1)/(еi – еi+1))*β Или Еi-(i+1)= ((1+ео)/mo)*β ео- коэффициент пористости природного грунта е- значения к-та пористости на I и i+1 ступенях нагрузки mo- к-т сжимаемости β - к-т бокового расширения

Коэффициент сжимамости Коэффициент сжимаемости (mo, МПа-1)величина обратная модулю деформации.

Нагрузки и сжимаемость Нагрузки или удельное давление от многих типов сооружений (блочные пятиэтажки, земляные насыпи высотой около 10 м и др. ) находятся в диапазоне от 200 до 300 KПа. Исходя из этого грунты по показателю сжимаемости в диапазоне давлений 200300 KПа могут классифицироваться на: u mo < 1/МПа- сильносжимаемые, u 1/МПа> mo >1/10 МПа- среднесжимаемые u mo >1/10 МПа- слабосжимаемые

Коэффициент консолидации u. Kоэффициент фильтрационной с. V и вторичной с консолидации - показатели, характеризующие скорость деформации грунта при постоянном давлении за счет фильтрации воды (с. V) и ползучести грунта с

Коэффициент консолидации Коэффициенты консолидации используются для оценки скорости развития осадки. Сv- см 2/мин, час, год С - см 2/мин, час, год Эти к-ты определяются графоаналитическим методом по компрессионной кривой (Приложение Н, ГОСТ 12248 -96) или по специальным испытаниям в комрпессионном приборе.

Бытовое давление Бытовое (литостатическое или природное или горное или пр. ) давление (Рб) определяется как: Рб= *H H- глубина, м - удельный вес (МН/м 3)

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды (для водонасыщенных грунтов) определяется по формуле u = ( s - w)/ (1 + e), где: u s – удельный вес частиц грунта вычисляется: u s = s * g где: u s – плотность частиц грунта т/м 3 u g – ускорение свободного падения = 9, 81 м/с2 u w – удельный вес воды = 0, 01 МН/м 3 u e – коэффициент пористости (безразмерная) u

Эпюра вертикальных напряжений Массивы грунтов в условиях естественного залегания находятся в напряженном состоянии, обусловленном давлением от слоев грунта. В условиях, когда отсутствует возможность бокового выпирания вертикальное напряжение возрастает с глубиной: бz= ∑ gi * i *hi, i- количество слоев, gускорение силы тяжести, i- удельный вес i-го слоя, hi- глубина кровли (подошвы) i-го слоя.

Вид эпюры Рб, МПа

Определения ГОСТ 30416 -96 Стабилизированное состояние грунта, характеризуемое окончанием деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и отсутствием избыточного давления в поровой жидкости. u Нестабилизированное состояние грунта, характеризуемое незавершенностью деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и наличием избыточного давления в поровой жидкости. u

Переуплотненные и недоуплотненные грунты Грунты, сжимаемость которых ниже, чем ожидаемая при данном бытовом давлении, называются переуплотненными. Переуплотнение является следствием сжатия грунтов в глубине толщи и последующим их выходом к поверхности в результате размыва вышележащих отложений, результатом сжатия под давлением древних ледников и т. п. Характеризуются низкой сжимаемостью, иногда набухают. В целом являются надежными основаниями.

Грунты, сжимаемость которых выше, чем ожидаемая при данном бытовом давлении, называются недоуплотненными. Они образуются в результате весьма быстрого накопления (лавинная седиментация) и др. причин. Типичные недоуплотненные грунты это лессы, а также морские и аллювиально-морские илы, сапропели, торф. Характеризуются наличием избыточного порового давления, превышающего гидростатическое; высокой сжимаемостью; неустойчивостью при динамической нагрузке, в целом являются весьма ненадежными основаниями.

Переуплотнение и недоуплотнение I- интервал нагрузок, не превышающих бытового давления II- интервал нагрузок, превышающих бытовое давление е Рs- максимальное бытовое давление, имевшее место за геологическую историю (давление предуплотнения) Для переуплотненных грунтов: Рs>Pб Для недоуплотненных: Рs

К-т переуплотнения Для оценки уплотненности грунта используется к-т переуплотнения КПУ. По значениям КПУ грунты можно классифицировать: u недоуплотненные КПУ < 1 u нормально уплотненные 1 < КПУ 4; u переуплотненные КПУ > 4.

К-т переуплотнения КПУ вычисляется как: КПУ= Ps/Pб, где: u Ps- давление предуплотнения, МПа u Pб- современное бытовое давление, МПа

К-т переуплотнения Недоуплотненные грунты склонны к просадке под действием собственного веса. При этом они отличаются низкой прочностью, высокой сжимаемостью и неустойчивостью при динамических нагрузках. В целом являются ненадежными основаниями. u Переуплотненные грунты имеют высокую прочность, низкую сжимаемость, могут набухать. При КПУ>6 к-т бокового давления грунта может превышать 2, что необходимо учитывать при проектировании подземных сооружений. В целом являются надежными основаниями. u

Прочностные свойства Прочность грунтов при сдвиге обусловлена сцеплением (наличием структурных связей) и трением между частицами. Структурные связи- связи между структурными элементами (частицами, агрегатами кристаллами и др. ), из которых состоят грунты

Характеристики прочностных свойств С- сцепление (удельное сцепление), МПа φ -угол внутреннего трения, градусы τ - сопротивление грунта срезу, МПа R- сопротивление одноосному сжатию Su- сопротивление недренированному сдвигу, МПа

Структурные связи по степени прочности Механические- трение между частицами (в песках, крупнообломочных и глинистых грунтах) Водно-коллоидные или коагуляционные (по сути - слипание частиц)- обусловлены электромагнитными (вандервальсовскими- Ван дер Вальс) силами междумолекулярного притяжения (глинистые дисперсные грунты) Цементационные- возникают за счет заполнения пористого пространства минеральной массой, цементирующей частицы (полускальные породы) Кристаллизационные- внутри кристаллов и между кристаллами (скальные магматические и метаморфические породы)

Прочность и разрушение Прочность грунтов определяется в основном структурными связями между отдельными частицами (кристаллами или зернами) и/или агрегатами частиц и кристаллическими сростками. Прочность самих элементарных кристаллов, частиц или минеральных агрегатов имеет вторичное значение. Разрушение грунта наступает, когда, по достижении некоторых предельных напряжений, нарушаются структурные связи и происходит необратимое перемещение частиц относительно друга.

Давление Р от веса надземной части сооружения и собственного веса фундамента рассеивается в массиве грунта. Равнодействующую R раскладываем на две составляющие и , сжимают частицы грунта друг к другу и разрушить их практически не могут (частицы грунта – кварц, полевой шпат и т. д. ) разруш 2000 кгc/см 2 200 Мпа – таких напряжений под фундаментом практически не возникает.

u Значит разрушение грунта происходит от действия касательных напряжений ( ). Под действиями этих напряженний частицы грунта смещаются относительно своих контактов, зерна попадают в поровое пространство, происходит процесс уплотнения грунта с возникновением в некоторых областях поверхностей скольжения

Теория Кулона-Мора Согласно этой теории прочность грунта определяется соотношением между нормальными и касательными напряжениями: = σ * tgφ+ С, где - -касательное напряжение - σ- Нормальное напряжение - С- сцепление - φ- угол внутреннего трения

Прямая Кулона τ φ τ = σ * tg φ + C С σ 0

Физический и геометрический смысл C и φ Геометрический смысл (по ГОСТ 30416 -96): u Угол внутреннего трения - параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как угол наклона этой прямой к оси абсцисс. u Удельное сцепление грунта - параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат. Физический смысл: u Удельное сцепление- сила или прочность структурных связей u Угол внутреннего трения- силы трения между частицами Можно выделить две составляющие сцепления: 1 - прочность структурных связей (Cc) 2 - прочность за счет трения (ΣW)- механические связи

Прочность глинистых грунтов τ В связанных глинистых грунтах, содержащих песчаные частицы, c цементационными или водно-коллоидными связями прочность определяется как сцеплением, так углом внутреннего трения φ τ = σ * tg φ + C С σ 0

Прочность глинистых грунтов τ В связанных глинистых грунтах, не содержащих песчаных частиц, c цементационными или водно-коллоидными связями прочность определяется как сцеплением τ= C С σ 0

Прочность песчаных грунтов τ В несвязанных песчаных грунтах прочность в основном определяется углом внутреннего трения, а значения С относи- тельно малы τ = σ * tg φ φ σ

Определение прочностных характеристик методом одноплоскостного среза u u 5. 1. 1. 1 Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивление грунта срезу τ, угла внутреннего трения φ, удельного сцепления С, для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов. 5. 1. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза

Сдвиговой прибор u Прибор одноплоскостного сдвига состоит из двух колец (нижнего и верхнего). Нижнее кольцо закрепляется в сдвиговой коробке неподвижно. Верхнее может перемещаться относительно нижнего.

Сдвиговая коробка а Верхнее Штамп кольцо Постамент Нижнее кольцо

Общий вид

НН, КН и КД (по ГОСТ 30416 -96) Консолидированно-дренированное испытание грунта для определения характеристик прочности и деформируемости с предварительным уплотнением образца (в одометре) и отжатием из него воды в процессе всего испытания. Консолидированно-недренированное испытание грунта для определения характеристик прочности с предварительным уплотнением образца и отжатием из него воды только в процессе уплотнения. Неконсолидированно-недренированное испытание грунта для определения характеристик прочности без предварительного уплотнения образца при отсутствии отжатия из него воды в процессе всего испытания.

Приборы для предварительного уплотнения

Вычисления касательных и нормальных напряжений

Расчет нагрузок

Сопротивление срезу Сопротивление грунта срезу характеристика прочности грунта, определяемая значением касательного напряжения, при котором происходит разрушение (срез). u Сопротивление грунта срезу (τ, МПа) определяется как величина касательной нагрузки Q, отнесенная к площади среза А образца при заданной величине нормальной нагрузки F. u τ = Q/A, МПа

Вычисления С и φ

Почему нужны минимум три точки? τ - сопротивление грунта срезу, МПа Третья точка играет корректирующую роль

Схемы сдвиговых испытаний неконсолидированно-недренированное испытание – для водонасыщенных глинистых и песчаных грунтов- испытание без предварительного уплотнения и без отжима воды; u консолидированно-недренированное испытание – для нестабилизированных глинистых грунтов- испытание с предварительным уплотнением (в одометре) под давлением, эквивалентном бытовому давлению + давлению от сооружения и без отжима воды; u консолидированно-дренированное испытание – для стабилизированных глинистых грунтов и песков- испытание с предварительным уплотнением и с отжимом воды u

Метод одноосного сжатия 5. 2. 1. 1 Испытание грунта методом одноосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности: предела прочности на одноосное сжатие (R) для скальных полускальных грунтов; сопротивления недренированному сдвигу для водонасыщенных глинистых грунтов (Su). 5. 2. 1. 2 Предел прочности на одноосное сжатие определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.

Вид прибора

Вычисление характеристик

Трехосное сжатие (наиболее передовой метод) 5. 3. 1. 1 Испытание грунта методом трехосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности и деформируемости: угла внутреннего трения φ, удельного сцепления С, сопротивления недренированному сдвигу Su, модуля деформации Е и коэффициента поперечной деформации v для песков, глинистых, органоминеральных и органических грунтов. 5. 3. 1. 2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения…

Принципиальная схема теста

Общий вид приборов

Разрушение образцов глинистого грунта

Принципиальная схема теста

Вид прибора

Особенности метода При испытаниях цилиндрический образец грунта помещают в резиновую оболочку Давление на образец создается рабочим поршнем (вертикальная нагрузка F) и всесторонним давлением воды В отличии от компрессионного сжатия, сдвига и одноосного сжатия измеряется не только вертикальная и продольная (при сдвиге) деформации, но и объемная деформация (за счет измерения объема и давления воды в камере)

Трехосные испытания грунтов циклическими нагрузками Цель данного метода- оценка прочностных свойств при динамических нагрузках (землетрясения, волнение моря, вибрация сооружения и т. д. ) При этом методе образец грунта подвергается воздействию чередующихся нагрузок сжатия и растяжения. Циклы сжатия и растяжения чередуются с периодом и частотой, соответствующими ожидаемому динамическому воздействию. Методики испытаний не гостированы.

6. Прочность и деформируемость мерзлых грунтов Определяются следующими методами: Испытания шариковым штампом u Одноплоскостным срезом по поверхности смерзания u Одноосным сжатием u Все испытания проводятся при отрицательной внешней температуре, которая, в идеале, должна соответствовать природной температуре мерзлого грунта

Что делать если деформационные и прочностные свойства грунтов не определены и имеются лишь значения физических свойств? 1. 2. Прочностные и деформационные свойства принимаются по материалам, полученным в сопредельных районах. Для предварительных расчетов оснований… допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам из Приложения 1 СНи. П 2. 01 -83. Основания и фундаменты.

Нормативные значения удельного сцепления сn, к. Па (кгс/см 2), угла внутреннего трения n, град. , пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

Нормативные значения удельного сцепления сn, к. Па (кгс/см 2), угла внутреннего трения n, град. и модуля деформации Е, МПа (кгс/см 2), песчаных грунтов четвертичных отложений