Механика грунтов Рокос Сергей Игоревич т р 45

Механика грунтов Рокос Сергей Игоревич, т. р. 45 -23 -72, e-mail: s_rokos@amige. murmansk. ru

u u Механика грунтов или геотехникасоставная часть геомеханики, в основе которой лежат законы теоретической механики (механика твердых тел) и положения строительной механики (законы упругости, пластичности, ползучести). Механика грунтов рассматривает поведение грунтов под нагрузкой.

Определение грунта по ГОСТ 25100 -95 Грунт — горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунты могут служить: 1) материалом основании зданий и сооружений; 2) средой для размещения в них сооружений; 3) материалом самого сооружения.

Грунты как горные породы В геологическом смысле грунты представляют собой горные породы. Горные породы- геологические тела, состоящие из одного или нескольких минералов. Минералы- химические соединения имеющие определенный стабильный состав, свойства и внешнюю форму.

Термин «осадки» имеет двойной смысл: 1. Осадки- молодые недавно отложенные образования, не уплотненные и не испытавшие существенных изменений состава и свойств. 2. Осадки- отражает происхождение пород- морское или континентальное Горные породы- отвердевшие (литифицированные) осадки

Процессы преобразования осадков в породы: Диагенез- уплотнение свежеотложенного осадка под действием давления от вышележащих слоев. Происходит в основном отжим воды из пористого пространства и из внешних облочек коллоидных частиц (мицелл). Формируются водноколлоидные структурные связи. Состав минеральной части меняется незначительно, образуются новые (аутигенные) минералы. Глубина до 500 -1500 м от поверхности.

Катагенез- следующая стадия- изменения состава и уплотнение осадка под действием вышележащих образований и температуры. Состав минеральной части изменяется, но не существенно, упрочняются водно-коллоидные и формируются цементационные связи за счет образования новых минералов (цемент заполняет пористое пространство, вытесняя воду). Глубина до 3 -7 км от поверхности Метагенез (метаморфизм)- существенное изменение минералогического состава, перекристаллизация частиц и минералов под действием температур и давления, а также глубинных растворов. Состав минералов изменяется коренным образом. Формируются кристаллизационные связи. Глубина- более 5 -7 км.

Определения классов u Грунт скальный — грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа. u Грунт полускальный — грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурный связи цементационного типа.

Основные классы грунтов (Таблицы 1 -4) I КЛАСС ПРИРОДНЫХ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ II КЛАСС ПРИРОДНЫХ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ III КЛАСС ПРИРОДНЫХ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ IV КЛАСС ТЕХНОГЕННЫХ ГРУНТОВ (СКАЛЬНЫХ, ДИСПЕРСНЫХ И МЕРЗЛЫХ)

Предел прочности на одноосное сжатие Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие (Rc 5 МПа — скальные грунты, Rc 5 МПа — полускальные грунты). Предел прочности грунта на одноосное сжатие Rc, МПа — отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади первоначального поперечного сечения.

u u u Грунт дисперсный — грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения. Грунт мерзлый — грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся криогенными структурными связями. Техногенные грунты — естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, а также антропогенные образования.

Физический смысл понятия «грунт» С физической точки зрения под грунтом понимается одно-, двух- или трехфазная система. u Скальные грунты- однофазная системаприсутствует только минеральная составляюющая. u Дисперсные грунты- двух- или трехфазная система. Двухфазная система-полностью водонасыщенные грунты- минеральные частицы+вода или, наоборот, абсолютно сухие- минеральные частицы+воздух Трехфазная система- (не полностью водонасыщенные грунты)- минеральные частицы + вода + воздух (газ) u

Пески и крупнообломочные грунты u Пески и крупнообломочные грунты содержат гравитационную (подчиняющуюся законам гидравлики) воду. Эта вода находится в пористом пространстве (пространстве между частицами)

Мицеллы (коллоидные частицы) Терригенные глинистые грунты состоят из коллоидных частиц (мицелл). Строение- в центре минеральное зерно глинистой фракции с положительным зарядом внутри и отрицательным на поверхности. Вокруг несколько слоев связанной водыпервый от поверхности минерального зерна- прочносвязанная вода, внешние слои- рыхлосвязанная вода.

Мицелла Минеральное ядро Слой прочносвязанной воды Слой рыхлосвязанной воды

Прочность и сжимаемость грунтов определяются: u Вещественным составом (минералогическим, химическим и гранулометрическим) u Структурными связями u Фазовым составом

Структурные связи u Связи между структурными элементами (частицами, агрегатами кристаллами и др. ), из которых состоят грунты (осадки, породы).

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)

Микроструктура глинистого осадка

Диагенез

Катагенез

Строительные свойства и степень преобразования осадков В основном имеется следующая закономерность. Чем больше возраст осадков, тем прочнее структурные связи, а чем прочнее структурные связи, тем прочнее и плотнее отложения и тем лучше их строительные свойства.

Обычно грунты залегают в составе слов или пластов Пластом или слоем назовем геологическое тело, сложенное однородным по составу грунтом, ограниченное по вертикали двумя поверхностями и залегающее на некоторой площади. Пласт- слой, содержащий некую полезную компоненту (руду, уголь, нефть, воду и т. п. ) Поверхность, ограничивающая слой сверху- кровля Поверхность, ограничивающая слой снизу- подошва В вертикальном разрезе кровля и подошва представляют собой линии. Мощность- толщина

Долматов Б. И. и др. Основания и фундаменты. 2002: u Фундаментом называется заглубленная в грунт конструкция, передающая нагрузки и воздействия от здания (сооружения) на основание u Основанием называется напластование грунтов, воспринимающее давление от сооружения u Слой грунта подошвой фундамента называется несущим. Слои, залегающие ниже несущегоподстилающими, вышеперекрывающими

Некоторые термины «свободного пользования» u Слабый грунт- сильно сжимаемый и легко деформируемый грунт с очень низкой прочностью (торф, илы, сапропели, текучие-текучепластичные глинистые грунты и др. ) u Надежный грунт- слабо сжимаемый или практически недеформируемый грунт с относительно высокой прочностью (пески среднего и крупного состава, крупнообломочные грунты, скальные-полускальные грунты и др. )

1. 1 (СНи. П 2. 01 -83 (2000)). Основания сооружений должны проектироваться на основе: а) результатов инженерно-геодезических, инженерно-геологических и инженерногидрометеорологических изысканий для строительства; б) данных, характеризующих назначение, конструктивные и технологические особенности сооружения, нагрузки, действующие на фундаменты, и условия его эксплуатации; в) технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений (с оценкой по приведенным затратам) для принятия варианта, обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов или других подземных конструкций.

u Проектирование зданий и сооружений в проектных институтах, организациях и компаниях обычно выполняется по типовым проектам. u Фундаменты же проектируются исходя из индивидуальных условий, что определено многообразием вариантов природного залегания, состава и свойств грунтов, на которые опираются фундаменты.

Без знания механики грунтов не возможно правильно проектировать инженерные сооружения любых типов. Применение механики грунтов позволяет: u В полной мере использовать несущую способность грунтов. u Точно оценивать деформации оснований под действием нагрузок от сооружений. Механика грунтов способствует выработке не только наиболее безопасных, но и экономически наиболее эффективных проектных решений.

Основные законы u Закон уплотнения (фильтрационной консолидации) u Закон Гука (теория упругости) u Закон Кулона-Мора (теория предельного напряженного состояния) u Закон ламинарной фильтрации

Значение геологии u Без знания геологии разобраться в механике грунтов не возможно. u В качестве справочного пособия в области геологии (применительно к механике грунтов) рекомендуется использовать электронный конспект лекций по инженерной геологии Рокоса С. И.

Основные нормативные документы ГОСТ 25100 -95. Грунты. Классификация. u СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА. ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. СНи. П 2. 01 -83 (2000) u СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА. ОСНОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ. СНи. П 2. 02– 85 u СВОД ПРАВИЛ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. СП 50 -101 -2004 u СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ. СНи. П 2. 0385 u