СТАНОВЛЕННЯ ТА РОЗВИТОК ПІДХОДІВ З ОЦІНКИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

СТАНОВЛЕННЯ ТА РОЗВИТОК ПІДХОДІВ З ОЦІНКИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ҐРУНТІВ. ФОРМУВАННЯ МЕХАНІКИ ҐРУНТІВ ЯК ОСНОВИ ДЛЯ ПОБУДОВИ ФУНДАМЕНТІВ ТА БУДИНКІВ. ВСТУП Значення і зміст дисципліни. Надійність та економічність будівництва споруд залежить значною мірою від правильного вибору та розрахунку будівельних конструкцій, в тому числі основ і фундаментів. Надійність основ і фундаментів та здешевлення робіт по їх влаштуванню, в свою чергу, залежить від вміння правильно оцінювати інженерно геологічні умови будівельних майданчиків, властивості ґрунтів основ і сумісну роботу цих ґрунтів з фундаментами та надземними конструкціями будівлі, від раціональності вибраних типів основ і фундаментів і розмірів останніх, від якості виконання робіт. Як відомо, кошторисна вартість зведення підземних частин будівель і споруд для звичайних ґрунтових умов становить від 10 до 25% кошторисної вартості споруди. У складних інженерно геологічних умовах частка нульового циклу досягає 40 45% кошторисної вартості всієї споруди. Згідно з світовою статистикою 80% аварій будівель і споруд відбувається через різні недоліки й помилки проектуванні, будівництві та експлуатації основ і фундаментів. Витрати на усунення цих аварій, як правило, набагато більші за початкову вартість будівництва. Завдання, які стоять перед сучасним фундаментобудуванням: з одного боку – зниження вартості та матеріаломісткості основ і фундаментів, а з другого – підвищення їх надійності.

• • • Протягом довгого періоду у теорії проектування фундаментів і земляних споруд, як і в інших галузях будівельної механіки, нагромаджували практичний досвід. Для цього широко застосовували метод проб і помилок, а на основі аналізу аварій споруд встановлювали емпіричні залежності для встановлення допустимого тиску на ґрунт. У 1773 р. Кулон (Франція) провів фундаментальні дослідження з механіки сипучих ґрунтів. У 1885 р. Бусінеск опублікував дослідження «Про розподіл напружень у пружному ґрунті від зосередженої сили» У середині ХVII ст. з’явились перші розрахунково експериментальні дослідження оцінки тиску на ґрунт. Початком розвитку науки про міцність ґрунтів вважають 20 роки ХХ ст. коли професор Терцагі розпочав розробку методики механічних випробувань ґрунтів їх стисливості і міцності. Ці дослідження проводились в основному на однорідних глинистих пастах, а також на чисто сипучих ґрунтах, що відповідає далеко не всім реальним ґрунтам. Незважаючи на це у 1925 р. він сформулював ряд положень, які в подальшому склали основу класичної механіки ґрунтів і сприяли її подальшому розвитку. До робіт Терцагі ґрунти розглядали, як суцільні однорідні і однофазні матеріали, а їх густина і вологість у процесі деформування не змінюються. Він встановив, що основні явища, які спостерігаються у процесі деформування ґрунтів пов’язані із кількісним співвідношенням фаз ґрунтів і механічної взаємодії фаз.

• • Розроблені підходи механіки ґрунтів Терцагі, яка в подальшому буде називатись класичною механікою ґрунтів вирізняється простотою математичних моделей. Він вважав, що враховуючи механічні властивості реальних ґрунтів не завжди вдається розв’язати такі задачі. У таких задачах основним є не одержання точного розв’язку, а визначення впливу різних можливих відхилень природних умов від прийнятих у розрахунках. Недоліком фазової механіки ґрунтів Терцагі є неможливість визначення напруженого стану ґрунтів, оскільки вона побудована на теорії пружності основні положення, якої не відображають властивостей ґрунтів. Недосконалість методів класичної механіки ґрунтів спостерігається при проектуванні основ для будівель і споруд з нерівномірними деформаціями. Це може бути при забудові територій з несприятливими геологічними умовами. Тому настала необхідність перегляду, уточненню і розширенню теоретичної бази механіки ґрунтів та встановлення зв’язків із інженерною геологією. Важливим вкладом для інженерно геологічних прогнозів є розробки принципу умовних розрахунків, які розвинуто у роботах Герсеванова. Згідно цього принципу розрахункові моделі повинні відповідати двом обов’язковим умовам: а) відображати найбільш істотні фактори, що визначають роботу споруди; б) задавати умови роботи споруди більш жорсткими за реальні; На основі таких моделей можна порівнювати різні варіанти проектних рішень з точки зору їх надійності і встановлювати величину коефіцієнтів умов роботи і однорідності ґрунтів. Ці коефіцієнти мають регіональний і навіть локальний характер і не завжди їх можна використати за межами даного району з його специфічними інженерно геологічними умовами.

• • • У 1948 р. групою вчених на чолі з Келдишем був запропонований новий принцип проектування – принцип граничних станів, оскільки розв’язки класичної механіки не забезпечували надійності. Для розрахунку основ споруд цей принцип вперше був сформульований у 1949 р. Польшіним. Він запропонував визначення допустимих навантажень здійснювати на основі гранично – допустимих осідань для даної споруди і відмовитись від загально прийнятих (стандартизованих) встановлених тисків на ґрунти. Це означає, що деформації основ не повинні перевищувати значень гранично допустимих для нормальної експлуатації, а несуча здатність повинна забезпечити і попередити втрату стійкості, а також руйнування основи. У роботах (Єрмолаєв, Міхеєв) запропоновано при проектуванні основ споруд виходити із основ сучасної теорії надійності, яка передбачає подальший розвиток принципу граничних станів. При цьому використовують імовірнісний підхід оцінки надійності протягом періоду експлуатації і вимогою забезпечення безаварійної роботи. Використання цього підходу вимагає статистичної оцінки роботи об’єкту, а дані для цього можна отримати з практики експлуатації. Подальший розвиток механіки ґрунтів при проектуванні споруд передбачає роздільний розрахунок основ і споруд. Згідно цього підходу спочатку розраховують споруду і визначають навантаження на основу, яку приймають абсолютно жорсткою і неподатливою. Пізніше за значеннями зусиль розраховують осідання основи, за спрощеними схемами. Отримані результати зіставляють з гранично допустимими.

• • Розвиток сучасної науки передбачає використання всіх переваг принципу граничних станів, що можливо за використання методики сумісного розрахунку. Це можливо, коли зусилля і деформації як в основах, так і в конструкціях споруд будуть розраховуватись із сумісної роботи в результаті якої відбувається перерозподіл зусиль, що діють на основу. Цей підхід дозволить здійснювати розрахунок з високою надійністю проектування всієї системи споруда – основа як єдиного цілого. При цьому необхідно враховувати просторовий розподіл напружень в конструкції, геометричну і фізичну не лінійність, анізотропність, пластичні і реологічні властивості матеріалів і ґрунтів, а також можливості зміни їх властивостей у процесі експлуатації споруд. Подальший розвиток такого підходу вимагає застосування методу МКЄ, для алгебраїзації задач механіки ґрунтів з урахуванням нелінійних ефектів, а також створення нових програм розрахунку. Основною метою викладання дисципліни «Механіка ґрунтів» є вивчення основних залежностей при деформуванні ґрунтів, методів визначення фізико механічних характеристик та їх застосування при розрахунку напружено деформованого стану для забезпечення оптимального вибору і надійної роботи будівель та споруд. Основними завданнями є проаналізувати історію розвитку науки механіки ґрунтів та роль вчених у становленні цієї науки, а також її значення для суспільства; вивчити методи досліджень коректної оцінки фізико механічних характеристик ґрунтів; освоїти методи розрахунку напружено деформованого стану у ґрунті при дії зовнішнього навантаження;

• • • освоїти використання залежностей розподілу напружень в ґрунті від силового зовнішнього навантаження до конструювання фундаментів для будівельних споруд; розглянути сучасні підходи до раціонального влаштування різних типів основ і фундаментів. Механіка ґрунтів – теоретична основа побудови фундаментів та будинків. Це наука про закономірності деформування ґрунтів при їх зовнішньому навантаженні. Основною відмінністю механіки ґрунтів від механіки суцільного середовища є наявність дисперсного роздробленого тіла. Ґрунт скла дається з твердих частинок і пор, які частково або повністю заповнені водою. Механіка ґрунтів використовує закони теоретичної механіки для суцільних абсолютно жорстких матеріалів, а також закони теорії пружності і будівельної механіки для суцільних тіл кінцевої жорсткості. На підставі цих законів у механіці ґрунтів встановлюють нові закономірності, які враховують роздрібненість ґрунтів. При цьому поведінка ґрунтів під навантаженням розглядається з урахуванням сучасних досягнень теорії пластичності і повзучості. Теорія і практика поставлених завдань розглядається в курсі “Механіка ґрунтів основи і фундаменти”, який складається з трьох розділів: природа і фізичні властивості ґрунтів; механіка ґрунтів; основи і фундаменти. В розділі природа і фізичні властивості ґрунтів розглядаються інженерно геологічні дослідження, фізичні і механічні властивості дисперсних середовищ, а також фізико механічні процеси взаємодії твердої, рідкої і газоподібної складових ґрунту. Розділ механіка ґрунтів вивчає напружено деформований стан, міцність і стійкість ґрунтів.

• • Механіка ґрунтів є теоретичною базою для проведення розрахунків ґрунтових основ. В розділі основи і фундаменти розглядаються розрахунки, проектування та будівництво фундаментів як частини споруди. Курс “Механіка ґрунтів основи і фундаменти” для інженера будівельника є профілюючим. Він поряд з курсами “Будівельна механіка”, “Архітектура будівель і споруд”, “Інженерні конструкції”, “Будівельні вироби і матеріали” дозволить майбутньому інженеру будівельнику, після вивчення матеріалу, викладеного в даному конспекті, правильно оцінити інженерно геологічні умови будівельного майданчика, проектувати основи і фундаменти і виконувати роботи по їх влаштуванню.

• • РОЗДІЛ І. ПРИРОДА І ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГРУНТІВ. Тема. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЗЕМЛЮ І ГІРСЬКІ ПОРОДИ 1. Походження ґрунтів. Земна куля складається з ядра, мантії і кори. Ядро має радіус 3470 км. Воно поділяється на зовнішнє і внутрішнє. Густина речовини висока і досягає в центрі 9 11 м 3 при тисках 0, 3 035 106 МПа і температурах вище 4000 о. С. Вважають, що речовина в зовнішньому ядрі є розплавлена, а внутрішнє ядро тверде. Дані припущення базуються на тому що поперечні пружні хвилі які можуть поширюватись лише у твердих тілах не проходять через ядро. Мантія – це оболонка, яка оточує ядро. Її товщина приблизно 2900 км. Густина речовини коливається від 3, 3 т/м 3 до 5, 6 т/м 3 на межі з ядром. Температура підвищується від 1000 до 2300 о. С. Речовина мантії перебуває в твердому стані, але у верхній мантії на відстані 100 200 км під материками і 50 100 км під океанами знаходиться розмякший шар. Речовина верхньої мантії багата залізом і магнієм. Кора поверхнева оболонка землі має середню густину 2, 7 т/м 3. Її товщина під дном океанів становить 5 6 км, а в межах материків біля 35 км. У гірських районах товщина земної кори становить біля 70 км, 71% земної кори покрито водою, а 29% займає суша. Температура в земній корі коливається від 100 о. С на глибині 5 6 км до 1000 о. С на межі з мантією. У земній корі виділяють три шари: осадовий, гранітний і базальтовий. Під океанами гранітного шару немає. Шари земної кори утворені гірськими породами, складовими яких є різні мінерали. Земна кора утворена магматичними, осадовими і метаморфічними гірськими породами. Магматичні породи утворюються в процесі кристалізації застигаючої магми. Осадові породи виникли в результаті відкладення і нагромадження на поверхні суші або в різних водоймах продуктів руйнування (вивітрювання) раніше існуючих порід і нагромадженням продуктів життєдіяльності рослин і тварин.

• • Метаморфічні породи утворюються шляхом перекристалізації у глибинних зонах земної кори магматичних та осадових порід під впливом високих температур і тиску. Ці ґрунти класифікуються як скельні. Основами фундаментів служать переважно осадові неорганічні дисперсні ґрунти. Вони утворились шляхом вивітрювання, тобто в процесі зміни гірських порід під впливом фізичних та хімічних реагентів. Розрізняють фізичне і хімічне вивітрювання. При фізичному вивітрюванні, яке відбувається переважно під дією вітру, води, періодичної зміни температури, руйнується (роздрібнюється) материнська порода, але зберігається її мінералогічний склад. Хімічне вивітрювання призводить до зміни мінералогічного складу порід за рахунок процесів окислення, відновлення, гідратації, дегідратації та ін. Ці види вивітрювання проходять паралельно і доповнюють один одного. Магматичні, осадові і метаморфічні породи утворилися з мінералів самородний елемент, або природна хімічна сполука, яка має своєрідний комплекс фізико хімічних властивостей. Великоуламкові, піщані і пилуваті частинки складаються із первинних (материнських) мінералів – фізичне вивітрювання, глинисті із вторинних, що утворились у процесі хімічного вивітрювання

• • • 2. Фізичні властивості ґрунтів та їх класифікаційні характеристики. Природніми ґрунтами називаються пухкі і гірські породи земної кори. Ґрунти відрізняються від гірських порід своєю роздрібленістю. Вони складаються з окремих частинок. Зв’язки між якими або взагалі відсутні або їх міцність у багато разів менша за міцність самих частинок. За своєю будовою ґрунти є пористі, тобто об’єм заповнений не повністю зайнятий частинками, а між ними є вільний простір, що заповнений газами і рідиною. Така будова ґрунтів впливає на їхні властивості зокрема: грунт під навантаженням стискується – стисливість; водопроникність зумовлює фільтраційні їх властивості; міцність ґрунту характеризується величиною контакту між частинками при їх навантаженні. Виникнення пухких і гірських ґрунтів нерозривно пов’язано із умовами і взаємодією з навколишнім середовищем. Враховуючи, що ґрунтові товщі по глибині і за протяжністю неоднорідні їх властивості необхідно досліджувати на кожному будівельному майданчику. Властивості ґрунтів визначаються їх складом. У загальному випадку грунт є трикомпонентною системою, яка складається з твердих частинок, рідини і газів. Тверді частинки ґрунтів характеризуються розмірами, формою і мінералогічним складом. За величиною частинки поділяються на великоуламкові – більше 2 мм діаметром; піщані – розмір частинок у яких становить від 2 до 0, 05 мм; пороховаті 0, 05 0, 005 мм; глинисті – менше 0, 005 мм. Великоуламкові піщані і пороховаті частинки складаються з первинних мінералів серед яких найбільш поширений – кварц, польовий шпат і ін. Глинисті частинки складаються з вторинних мінералів: каолініту, монтморилоніту, гідрослюди. Наявність цих складових сприяє утворенню зв’язків із водою, що свідчить про їх пористість і кількості утримуваної води. Якщо склад ґрунту визначається його твердими частинками рідиною і газовою складовими то будову прийнято характеризувати структурою і текстурою.

• • • Розрізняють макро, мезо і мікроструктуру і текстуру. Макроструктурні особливості складу ґрунтів добре розрізняються неозброєним оком. Для України характерними є макропориста, стовпчаста і плитчаста структури. Особливості макроструктури визначають міцність, водопроникність, капілярні та інші властивості. Макротекстура – визначає особливості розміщення мікроелементів. Для лесових порід характерною є хаотична макроструктура, що відтворює нібито однорідне суцільне тіло. Порода із складною макротекстурою має окремі шари з відповідною просторовою орієнтацією. Мезоструктуру і мезотекстуру характеризують елементи розміром до 0, 0001 мм і їх визначають на шліфах при збільшенні 500 600 раз на мікроскопі. Мікроструктуро мікротекстура характеризується розмірами елементів менше 0, 0001 мм, а їх дослідження здійснюють за допомогою мікроскопу. У лесових ґрунтах мікроелементи які є кристалами глинистих мінералів під впливом сил взаємодій утворюють мезостуктурні елементи, які в свою чергу елементи макроструктур. Таким чином в основі цих глинистих ґрунтів лежить мікроструктура або структурні зв’язки. Структурні зв’язки. Міцність дисперсних ґрунтів є меншою за міцність самих частинок і визначається міцністю структурних зв’язків. Структурні зв’язки формуються внаслідок вивітрювання, ущільнення, розчинення, фільтрації і ін. Структурні зв’язки є хімічні – жорсткі кристалічні, які характерні для скельних порід. Їм притаманний безповоротний характер (після руйнування не відновлюються). Молекулярні і молекулярно – іонні електростатичні зв’язки виникають при зближенні мікрочастинок і притягуються силами Ван дер_Вальса і є оборотними. Класифікаційні характеристики Для кількісної оцінки властивостей ґрунтів використовують декілька груп характеристик: Класифікаційні, основні фізичні, похідні.

• • 3. Складові компоненти ґрунтів. Основними компонентами ґрунтів є тверді частинки, вода і газ. Мінеральні частинки ґрунтів мають від’ємний заряд. Молекули води являють собою диполі, тому при взаємодії твердих часток і води виникають електромолекулярні сили. Ці сили притягують перших декілька шарів молекул води до мінеральних частинок з величезною питомою силою (до 1000 м. Па). Ця частина води називається адсорбованою (рис. 1. 1). Наступні шари молекул притягуються з меншою силою і являють собою ліосорбовану воду. Вода, що знаходиться поза сферою дії елктромолекулярних сил, називається вільною. За своїми властивостями адсорбована вода нагадує швидше тверде тіло. Вона випаровується (але не кипить) при температурі більше 1000 С, замерзає при температурі значно нижчій 00 С, має вищу питому вагу, ніж вільна вода. Властивості ліосорбованої води є перехідними від адсорбованої до вільної. Це пов‘язано із зменшенням сил взаємодії між поверхнею частинок і молекулами води. Вільна вода поділяється на капілярну (переміщується в порах капілярних розмірів за рахунок сил поверхневого натягу) і гравітаційну (рух відбувається під дією напору). В ґрунтах може знаходитись вода також у твердому стані (лід). Ґрунтові гази складаються переважно з повітря і можуть знаходитись у замкнутому стані (розміщуються в замкнутих порах), вільному стані (з’єднуються з атмосферою), бути розчиненими в паровій воді і адсорбованими твердими частинками. Якщо всі пори ґрунту заповнені водою, то він є двокомпонентною системою. Такий грунт називають також ґрунтовою масою. Мерзлі ґрунти є чотирикомпонентними системами, тому що вода в них знаходиться в двох станах (лід і незамерзла вода). У деяких ґрунтах крім мінеральних частинок можуть знаходитись органічні речовини у вигляді рослинних залишків або гумусу. Співвідношення всіх компонентів (%) і їх взаємодія зумовлює властивості ґрунтів.

• • • 4. Структурні зв’язки ґрунту. Окремі частинки ґрунтів можуть з’єднуватись між собою структурними зв’язками, які формуються внаслідок складних фізико хімічних процесів, що відбуваються під час утворення ґрунту. Розвиток їх відбувається впродовж всього життя ґрунту. Розрізняють наступні основні види зв’язків (вони можуть існувати окремо і сумісно): капілярні, іонно електростатичні, хімічні, молекулярні. Капілярні зв’язки виникають у порах, що мають капілярний розмір. При високій або низькій вологості ґрунту вони зникають. Іoнно електростатичні зв’язки зумовлені взаємодією від’ємно заряджених ґрунтових частинок і катіонів, що знаходяться між частинками. При висушуванні відстань між частинками зменшується і зростає міцність ґрунту. Одночасно із силами притягування діють сили відштовхування, які викликані взаємодією від’ємно заряджених частинок. Скельні ґрунти мають жорсткі хімічні структурні зв’язки. В пісках зв’язки практично відсутні, за винятком дрібних вологих пісків, що мають капілярні зв’язки. В глинистих ґрунтах, у більшості випадків, одночасно присутні декілька видів зв’язків (наприклад, в лесоподібних хімічні у вигляді цементаційних контактів між частинками, іонно електростатичні і молекулярні). 5. Структура і текстура ґрунту. Під структурою ґрунту мається на увазі розмір, форма, характер поверхні, кількісне співвідношення його компонентів і характер взаємодії між ними. Під текстурою розуміють сукупність ознак, які характеризують відносне розташування і розподіл структурних елементів в межах всієї ґрунтової товщі. Текстура характеризує неоднорідність будови ґрунту в пласті (наприклад, шаруваті піщано глинисті ґрунти). Структура і текстура тісно пов‘язані з умовами утворення порід і зумовлюють їх фізико механічні властивості.

• • Тема. ФІЗИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТІВ 1. Інженерно-геологічні дослідження. Інженерно геологічні дослідження (ІГД) проводяться з метою одержання вихідних даних для розробки проектів будівель і споруд та технології їх зведення. ІГД виконуються згідно з СНи. П 1. 02. 07 87 [23]. У ході ІГД повинні бути виявлені з необхідною повнотою: геологічна будова ділянки товщина шарів і характер їх залягання (горизонтальне, похиле, виклинювання шарів); фізико механічні властивості ґрунтів і їх можлива зміна після зведення будівлі; інженерно геологічні процеси і явища (зсуви, карст, суффозія , морозне здимання), гідрологічні умови (рівень ґрунтових вод, його зміна, вплив води на ґрунти та конструкції фундаментів, напрямок руху води); зроблені висновки і подані обґрунтовані рекомендації щодо придатності ділянки для будівництва. Геологічну будову для промислових і цивільних будівель з‘ясовують на глибину активної зони фундаментів (10 15 м) або на глибину, в межах якої можливі зміни властивостей ґрунтів (наприклад, при замочуванні). Висновки містять загальну інженерно геологічну оцінку ділянки будівництва. Рекомендації даються на період проектування, будівництва і експлуатації. Рекомендації на період проектування стосуються вибору типу фундаментів, несучого шару, глибини закладення фундаментів тощо. Рекомендації на період будівництва стосуються вибору доцільних для даної ділянки методів виконання робіт, які виключають погіршення властивостей ґрунтів основи (наприклад, може бути рекомендована відривка котлована і закладення фундаменту під захистом водозниження). Рекомендації на період експлуатації можуть містити вимоги про недопустимість встановлення устаткування, яке створює ударні чи вібраційні навантаження значної сили.

• • Проходження розвідувальних виробок і відбір з них зразків ґрунту. Одним із завдань ІГД є встановлення фізико механічних характеристик ґрунтів (щільності частинок ґрунту, щільності ґрунту, природної вологості, вологості на межі текучості і межі зкочування, гранулометриного складу, міцнісних і деформативних характеристик тощо). Інколи передбачається встановлення деяких специфічних характеристик (наприклад, при проектуванні фундаментів під різні станки, механічне обладнання, під час роботи яких передаються динамічні навантаження на ґрунт, виникає потреба у визначенні додаткових деформативних і міцнісних характеристик ґрунту). Всі названі характеристики можна визначати як в лабораторних так і в польових умовах. Як відомо лабораторні дослідження проводяться на зразках ґрунту відібраних з монолітів (моноліт це зразок ґрунту відібраний із свердловини чи шурфа і певним чином замаркований і упакований для того щоб його можна було доставити на місце проведення лабораторних досліджень без порушення природного стану ґрунту). Отже, для проведення лабораторних досліджень фізико механічних характеристик ґрунтів необхідно влаштовувати розвідувальні виробки шурфи і свердловини (це основні). Шурфи – вертикальні виробки прямокутного чи круглого перерізу глибиною до 25 м (проходяться вручну). Позитивною особливістю шурфів є можливість відбору якісних зразків ґрунту непорушеної структури й оглянути пройдені шари ґрунтів в умовах їх природнього залягання. Недоліком є їх висока трудомісткість і вартість. Їх влаштовують, як правило, коли не можна пробурити свердловини (вміст глиб, валунів). Свердловини – це вертикальні виробки, які здійснюють бурінням (найчастіше ударно канатним).

• • З розвідувальних виробок, по мірі їх проходження відбирають зразки ґрунту непорушеної (моноліти) і порушеної структури. З монолітів відбирають зразки ґрунту для визначення щільності ґрунту, міцнісних і деформативних характеристик. Лабораторні дослідження по визначенню щільності частинок ґрунту, природної вологості, вологості на межі текучості і межі розкочування, гранулометричного складу проводять із зразками порушеної структури. Проведення ІГД виконують пошукові організації відповідно до технічного завдання, складеного проектними організаціями. Технічне завдання поряд з даними необхідними для проведення ІГД (схема розміщення розвідувальних свердловин, шурфів, їх діаметр і довжина, кількість монолітів з кожної свердловини) містить відомості про розміщення будівель і споруд на ділянці згідно з проектом. До складу ІГД входять такі роботи: вивчення матеріалів раніше проведених досліджень (якщо такі були) і інженерно геологічні розвідування. Обсяг робіт по кожному них різний. Це залежить від ступеня вивченості району будівництва в інженерно геологічному відношенні, ступеня складності геологічної будови ділянки, особливостей фізико механічних властивостей ґрунтів (просідаючі, набухаючі чи звичайні ґрунти); конструктивних особливостей будівлі і їх капітальності. ІГД можуть проводитись в І і ІІ етапи. ІГД в І етап проводять в нескладних інженерно геологічних умовах, коли розміщення будівель і споруд на ділянці забудови точно визначене, а їхні конструктивні особливості відомі. У решті випадків ІГД проводять в два етапи – спочатку для технічного звіту, а потім для робочих креслень. Дослідження на стадії технічного звіту полягають у виборі будівельного майданчика і його послідовному вивченні.

• • • Дослідження на стадії робочих креслень проводять стосовно кожної будівлі, яка розміщена на майданчику (ці дослідження є додатковими і більш детальними відносно досліджень на стадії технічного звіту). Розвідувальні виробки розміщують на ділянці з урахуванням розташування будівель і споруд, що передбачаються проектом. Відстань між виробками в межах будівлі призначають від 20 до 100 м, залежно від ступеня складності геологічної будови майданчика. В усіх випадках в межах кожної будівлі чи споруди розміщується не менше трьох розвідувальних виробок. В обох випадках (один чи два етапи) мова йде про дослідження, які призначені для зведення будівель І і ІІ класів капітальності. ІГД на ділянках, де передбачається зведення будівель ІІІ і ІV класів, проводяться прискореними методами у скороченому вигляді. За результатами ІГД складають звіт, до якого входять пояснювальна записка і графічна частина. Пояснювальна записка містить завдання і програму досліджень, фактичний матеріал досліджень, висновки і рекомендації на періоди проектування, будівництва і експлуатації будівлі. В графічну частину входять інженерно геологічна карта, інженерно геологічні розрізи та інший графічний матеріал. 2. Фізичні показники ґрунтів поділяються на основні і похідні. Основні показники визначають експериментальним шляхом, а похідні розраховують, для чого використовують основні. До основних відносяться: щільність ґрунту, щільність частинок ґрунту і вологість ґрунту (природна, на межі розкочування, на межі текучості). Для пояснення наведених термінів виділимо деякий об’єм ґрунту у вигляді куба (рис. 2. 1) і приймемо такі позначення: m 1 маса твердих частинок; V 1 об’єм твердих частинок; m 2 маса води в ґрунті; V 2 об’єм пор ґрунту.

Рис. 2. 1. Схема складових елементів ґрунту. Щільність ґрунту (г/см 3) відношення маси ґрунту, включаючи масу води в його порах, до об’єму ґрунту (1) Щільність ґрунту в лабораторних умовах найчастіше визначають методом ріжучого кільця, тобто заповнюють кільце ґрунтом і зважують. Якщо не можна вирізати ножем зразок ґрунту правильної форми (крихкий, багато кам‘яних включень) то застосовують метод парафінування. Беруть певний об‘єм ґрунту зважують m маса ґрунту, парафінують його, а об‘єм V знаходять за об‘ємом витісненої води. Коли ґрунт мерзлий і вирізати ножем зразок ґрунту правильної форми не можна, то його об‘єм знаходять за об‘ємом витісненої нейтральної рідини (гас, лігроїн) без парафінування. Щільність частинок ґрунту s (г/см 3) відношення маси твердих частинок ґрунту до об‘єму, який вони займають (2) Щільність частинок ґрунту у лабораторних умовах визначають пікнометричним методом. Масу частинок m 1 знаходять зважуванням, їх об‘єм V 1 за об‘ємом витісненої води: , (3) де w = 1, 0 г/см 3 – густина води при кімнатній температурі.

• • Підставивши (3) в (2) матимемо • Згідно з (4) необхідно знайти масу витісненої води. Для цього попередньо висушений ґрунт масою не менше 15 г (m 1) подрібнюють, точно зважують у пікнометрі (скляна колба з вузькою шийкою і мірною рискою), доливають в останній воду приблизно на 1/3 об’єму і кип’ятять на піщаній бані для видалення повітря, яке адсорбоване на поверхні ґрунтових частинок. Після цього суміш охолоджують, доливають до мірної риски воду і проводять зважування (m 2). Суміш виливають. Потім у пікнометр до мірної риски заливають дистильовану воду і зважують (m 3). Маса витісненої води буде mw = m 1 + m 3 – m 2 (5) Підставивши (5) в (4) матимемо (6) • • (4) Вологість ґрунту W (%, д. о. ) відношення маси води до маси твердих частинок (7) Вологість ґрунту визначається шляхом висушування зразків у сушильній шафі при температурі (105± 2)0 С. При цій температурі видаляється вода (порова, ліосорбована і адсорбована). До похідних фізичних показників відносяться: щільність скелета ґрунту d, пористість ґрунту n, коефіцієнт упаковки зерен ґрунту m, коефіцієнт пористості ґрунту e і коефіцієнт водонасичення ґрунту Sr.

• • • • Щільність скелета ґрунту d (г/см 3) відношення маси висушеного ґрунту до його повного об’єму (8) Пористість ґрунту n (%, д. о. ) відношення об’єму пор до об’єму ґрунту (9) Коефіцієнт упаковки зерен ґрунту m (%, д. о. ) - відношення об’єму твердих частинок до об’єму ґрунту (10) Коефіцієнт пористості ґрунту e (%, д. о. ) відношення об’єму пор до об’єму твердих частинок (11) Коефіцієнт водонасичення грунту Sr (%, д. о. ) відношення природної вологості ґрунту W до вологості, яка відповідає повному заповненню пор водою Wsat (12) Похідні фізичні показники ґрунтів (через основні фізичні показники) визначають за наступними формулами (13); (15) (14)

• При розрахунках основ, використовують такі показники: “питома вага ґрунту”, “питома вага частинок ґрунту” і “питома вага скелета ґрунту” замість відповідних фізичних показників “щільність ґрунту”, “щільність частинок грунту”, “щільність скелета ґрунту”. При цьому позначення змінюють на = g (g = 9, 81 м/с2 10, 0 м/с2 прискорення вільного падіння). 3. Оптимальна вологість. При будівництві земляних споруд (дамби, греблі) чи використанні основ із насипних ґрунтів необхідно виконувати роботи по їх ущільненню. Максимально ущільнюються ґрунти при деякій вологості, яка називається оптимальною. Для визначення оптимальної вологості дисперсних (піщаних і глинистих) ґрунтів використовують лабораторний прилад для стандартного ущільнення (рис. 2). Зразки грунтів з різною вологістю ущільнюють стандартним вантажем. Кожний зразрок ущільнюють при однаковій кількості ударів вантажем, який скидають з певної висоти. Потім визначають щільність скелета ґрунту і будують графік (рис. 3), за яким визначають максимальну щільність d, max і відповідну їй оптимальну вологість Wopt. При цій вологості доцільно ущільнювати ґрунти.

• • • 4. Зерновий склад ґрунтів. Зерновим (гранулометричним) складом ґрунтів називається ваговий вміст в ґрунті частинок різної крупності виражений у відсотках стосовно маси сухого ґрунту взятого для аналізу. Назва ґрунтових частинок в залежності від їх розмірів наведена в табл. 1. Назва ґрунтових часток за їх розмірами • Таблиця 1. Назва частинок. Розміри частинок, мм. Валунні (глибисті)> 200 Галькові (щебеневі)200. . . 10 Гравійні (жорств'яні)10. . . 2 Піщані 2. . . 0, 05 Пилуваті 0, 05. . . 0, 005 Глинисті < 0, 005 Залежно від переважного вмісту часток тих чи інших розмірів ґрунти поділяються на: великоуламкові незв’язні мінеральні ґрунти, в яких маса частинок розміром більше 2 мм складає понад 50%; піщані незв'язні мінеральні ґрунти, в яких маса частинок розміром більше 2 мм складає 50% і менше (ІР<1 див. нижче); глинисті зв’язні мінеральні ґрунти (ІР 1 див. нижче), що мають в своєму складі переважно пилуваті і глинисті частинки. Частинки розміром до 0, 1 мм включно розділити на окремі фракції можна ситовим методом. Для розділення на окремі фракції частинок менших 0, 1 мм найчастіше використовують метод відмулювання і піпетковий метод. За гранскладом великоуламкові і піщані ґрунти поділяються згідно з табл. 2. Класифікація великоуламкових і піщаних ґрунтів залежно від гранулометричного складу Таблиця 2. Різновид ґрунтів. Вміст частинок за розміром в % від маси сухого ґрунту. Великоуламкові: Валунний грунт (глибистий)Маса частинок більших 200 мм перевищує 50% Гальковий грунт (щебенистий)Маса частинок більших 10 мм перевищує 50% Гравійний грунт (жорств’яний)Маса частинок більших 2 мм перевищує 50% Піщані: Піски гравіюваті Маса частинок більших 2 мм перевищує 25% Піски крупні Маса частинок більших 0, 5 мм перевищує 50% Піски середньої крупності Маса частинок більших 0, 25 мм перевищує 50%Піски дрібніМаса частинок більших 0, 1 мм 75% і більше Піски пилуваті Маса частинок більших 0, 1 мм менше 75%

• • Для класифікації глинистих ґрунтів використовують показник, який називається числом пластичності ІР ІР = WL WP , (18) де WL вологість на межі текучості (вологість, при якій ґрунт переходить з пластичного стану в текучий); WP вологість на межі розкочування (вологість, при якій ґрунт переходить з твердого стану в пластичний). Вологість на межі текучості відповідає такій вологості ґрунту, при якій стандартний балансирний конус масою 76 г занурюється в ґрунтове тісто на 10 мм за 5 с. Великий вміст у ґрунтах глинистих частинок збільшує питому поверхню ґрунту, відповідно, збільшується кількість води, необхідної для переходу ґрунту з твердого стану в текучий. І навпаки, частинки більших розмірів потребують менше води для такого переходу. Безумовно, стан ґрунту визначається, крім його вологості, ще й мінералогічним складом. Даний підхід цього не враховує, але відповідає основним потребам будівельної практики. За числом пластичності глинисті ґрунти розділяються на супіски – 1 IL 7, суглинки – 7 IL 17 і глини – IL 17. 5. Консистенція глинистих ґрунтів. З підвищенням вологості тіста глинистих ґрунтів воно переходить у пластичний стан, а потім у текучий. При цьому знижується міцність ґрунтів. Знаючи природну вологість ґрунту, а також вологості на межі розкочування і текучості можна оцінити стан, в якому знаходиться грунт. На практиці для визначення стану глинистих ґрунтів використовують показник текучості IL. (19) • Глинисті ґрунти залежно від IL мають слідуючі стани (табл. 3). • •

• • • Тема. МЕТОДИ ОЦІНКИ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРУНТІВ. Механічні властивості ґрунту останнім часом широко вивчаються з допомогою таких швидкісних методів, як пенетрація та обертальний зріз. Розвитку швидкісних методів досліджень сприяли роботи П. А. Ребіндера, М. А. Цитовича, В. Г. Березанцева, В. Ф. Разорьонова, детально розглянуто питання теорії і практики пенетраційних випробувань, обертального зрізу та інших, швидкісних методів. Метод пенетрації оснований на повільному зануренні в ґрунт конічного наконечника на глибину h, що не повинна перевищувати висоту конуса h. KOH. При проведенні пенетраційних досліджень у лабораторних умовах навантаження звичайно передають ступенями і вимірю ють глибину занурення наконечника. Тривалість ступенів прий мається однаковою (звичайно 1– 2 хв. ). У польових умовах ви конують занурення конуса і вимірювання зусилля, яке для цього необхідне, через певної довжини відрізки по глибині. Узагальнені показники результатів пенетраційних досліджень одержані В. Ф. Разорьоновим на основі рішень осесиметричної задачі теорії граничної рівноваги. Для зв'язаних ґрунтів цим показником є відношення зусилля пенетрації Р до квадрата глибини занурення конуса і має назву питомого опору пенетрації R, МПа. Для незв'язних ґрунтів використовують так званий показник пенетрації U, н/см 3, який дорівнює відношенню зусилля пенетрації до куба глибини занурення конуса. На рис. 1 показані графіки пенетраційних випробувань ґрунтів. У координатах: зусилля пенетрації Р – квадрат глибини занурення наконечника h 2 (рис. 1, а), питомий опір пенетрації визначають як тангенс кута осереднюючих прямих до осі координат і розраховують за формулою

Класифікація глинистих ґрунтів за показником текучості Таблиця 3 Різновид ґрунтів Показник текучості IL Супісок Твердий Пластичний Текучий IL < 0, 00 = IL =1, 00 IL > 1, 00 Суглинки та глини Тверді Напівтверді IL < 0, 00 = IL =0, 25 Тугопластичні 0, 25

• • 6. Класифікація ґрунтів. Повна класифікація ґрунтів наводиться в ДСТУ Б В. 2. 1 2 96 “Ґрунти. Класифікація” [16]. Згідно стандарту всі ґрунти розділяються на класи, групи, підгрупи, типи, види і різновиди. К л а с и – за загальним характером структурних зв’язків. Це природні скельні, дисперсні, мерзлі, техногенні ґрунти. Г р у п и за характером структурних зв’язків з урахуванням їх міцності. Клас скельних ґрунтів розділяють на скельні та напівскельні, дисперсних на зв’язні та незв’язні. П і д г р у п и за походженням та умовами утворення. Скельні ґрунти відносять до магматичних, метаморфічних та осадових підгруп; дисперсні до осадової підгрупи. Т и п за речовинним складом. Дисперсні розділяються на мінеральні, органомінеральні та органічні. В и д за найменуванням ґрунтів з урахуванням розмірів частинок та показників властивостей. Мінеральні ґрунти розділяють на великоуламкові, піски і глинисті ґрунти; органомінеральні на мули, сапропелі та заторфовані ґрунти; органічні на торфи. Р і з н о в и д и за кількісними показниками речовинного складу, властивостей та структури ґрунтів. Великоуламкові ґрунти та піски розділяються згідно табл. 2; глинисті ґрунти та мули за числом пластичності (див. п. 4) і за показником текучості (див. табл. 3); великоуламкові ґрунти та піски за коефіцієнтом водонасичення (див. п. 3); піски за щільністю складу e (див. п. 3) та інше.

Тема. МЕТОДИ ОЦІНКИ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРУНТІВ. • • Механічні властивості ґрунту останнім часом широко вивчаються з допомогою таких швидкісних методів, як пенетрація та обертальний зріз. Розвитку швидкісних методів досліджень сприяли роботи П. А. Ребіндера, М. А. Цитовича, В. Г. Березанцева, В. Ф. Разорьонова, детально розглянуто питання теорії і практики пенетраційних випробувань, обертального зрізу та інших, швидкісних методів. Метод пенетрації оснований на повільному зануренні в ґрунт конічного наконечника на глибину h, що не повинна перевищувати висоту конуса h. KOH. При проведенні пенетраційних досліджень у лабораторних умовах навантаження звичайно передають ступенями і вимірю ють глибину занурення наконечника. Тривалість ступенів прий мається однаковою (звичайно 1– 2 хв. ). У польових умовах ви конують занурення конуса і вимірювання зусилля, яке для цього необхідне, через певної довжини відрізки по глибині. Узагальнені показники результатів пенетраційних досліджень одержані В. Ф. Разорьоновим на основі рішень осесиметричної задачі теорії граничної рівноваги. Для зв'язаних ґрунтів цим показником є відношення зусилля пенетрації Р до квадрата глибини занурення конуса і має назву питомого опору пенетрації R, МПа. Для незв'язних ґрунтів використовують так званий показник пенетрації U, н/см 3, який дорівнює відношенню зусилля пенетрації до куба глибини занурення конуса.

• • На рис. 1 показані графіки пенетраційних випробувань ґрунтів. У координатах: зусилля пенетрації Р – квадрат глибини занурення наконечника h 2 (рис. 1, а), питомий опір пенетрації визначають як тангенс кута осереднюючих прямих до осі координат і розраховують за формулою ; (1) Рис. 1. Графіки пенетраційних випробувань: а – зв'язних ґрунтів; б – сипучих ґрунтів. Показник пенетрації визначають з виразу ; (2) Знак у виразах (1), (2) приймається відповідно до рис. 1, з якого видно, що, незважаючи на відмінність у розта шуванні експериментальних точок, у результаті випробувань одержуємо паралельні прямі 1, 2, 3, для яких питомий опір пенетрації R (або показник пенетрації U) постійний. Проведення кількох паралельних випробувань дозволяє контролювати достовірність визначення показників.

• • Знак у виразах (1), (2) приймається відповідно до рис. 1, з якого видно, що, незважаючи на відмінність у розта шуванні експериментальних точок, у результаті випробувань одержуємо паралельні прямі 1, 2, 3, для яких питомий опір пенетрації R (або показник пенетрації U) постійний. Проведення кількох паралельних випробувань дозволяє контролювати достовірність визначення показників. Головною перевагою методики пенетраційних досліджень однорідних ґрунтів є умова інваріантності одержаних результатів, тобто повна незалежність від діючого зусилля і відповідної глибини занурення конуса, а з урахуванням констант використа них наконечників – незалежність від кута їх розкриття. У цьому випадку результати випробувань не залежать від засобу реєстрації опору пенетрації і конструктивних особливостей використаних пенетрометрів. Метод пенетраційних досліджень рекомендується використо вувати у таких випадках: для кількісної оцінки зміни стану і механічних властивостей різноманітних ґрунтів при будь яких видах зовнішнього впливу на ґрунт (зволоженні, висиханні, замерзанні, відтаванні, ущіль ненні тощо). Ефект впливу визначається відношенням значень питомих опорів пенетрації R/Ro (або показників пенетрації Ui/U 0), одержаних до початку і в кінці впливу; для контролю результатів механічних випробувань ґрунтів, виконаних традиційними методами; для виявлення взаємозв'язку між показниками фізичного стану і характеристиками міцності. Про великі перспективи цього методу свідчить його використання у космічних дослідженнях. Метод обертаючого зрізу складається з повільного занурення в грунт наконечників з двома перпендикулярними відкрилками з приводом для обертання крильчатки і вимірюванні обертаючого моменту при повороті крильчатки. Схема досліджень показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема випробувань обер тальним зрізом: 1 — крильчатка; 2 — штанги; 3 — обсадні труби; 4 — станина; 5 — вимірювальний пристрій Рис. 3. Графік змін обертаючого моменту залежно від кута повороту крильчатки М, Н см 100 За результатами вимірювань будують графік M=f( ) (рис. 3). За графіком знаходять: обертаючий момент Мсr та кут сr, які відповідають межі пропорційних деформацій; обертаючий момент Мmах та кут < lm, які відповідають стану зрізу ґрунту, та обертальний момент Мmin, який відповідає стану швидкого обертання (з кутовою швидкістю 0, 5 °/с) зрізаної частини ґрунту в масиві. До моменту зрізу обертання виконується з швидкістю не більше 0, 2 град/с. Для польових досліджень переважно застосовують прилади з крильчаткою, в лабораторії найчастіше використовують пенетрометр ЛП 1 з приставкою для обертаючого зрізу або прилад ЛПС 1 для сумісних випробувань конструкції В. Ф. Разорьонова і П. І. Ейзлера. Питомий опір обертаючому зрізу т визначається відношенням максимального моменту, який спричинює зріз, до статичного моменту поверхні зрізу

• • • = Mm/K , (3) де K – константа крильчатого наконечника, що визначається з формули (4) • • де hcr і dcr — відповідно висота і діаметр відкрилка. При зануренні наконечника в грунт тільки на висоту крилок обертаючий зріз виконують по циліндричній і одній круговій поверхні. Для цього випадку (5) • • • Якщо крильчатка занурена глибше, то враховують зріз ґрунту зверху циліндра і формула набирає вигляду (6) Для слабких глинястих ґрунтів і мулів, де величина кута внутрішнього тертя незначна, звичайно граничний опір зрушенню дорівнює питомому зчепленню lт = С. Модуль деформації можна визначити за формулою Г. К. Бондарика (7) де – коефіцієнт, що залежить від співвідношення висоти криль чатки і її діаметра (при hcr: =2 dcr = 0, 85); – коефіцієнт Пуассона (для глин = 0, 4); Мcr – момент, що відповідає межі пропорційності (рис. 3); cr – опір зрізу ґрунту; l – переміщення лопаті відкрилка l = crdcr/2. Відношення опору зрізу ґрунту непорушеної структури max до опору зрізу ґрунту, перем’ятого лапатями крильчатки min, називають коефіцієнтом структурності. Величину, обернену до цього коефіцієнта, називають показником структурної міцності L:

• • • L =. min/ max (8) Значення тах і mln визначають за формулами (3), (4), підставивши відповідно Mmln та Мтах з графіка на рис. 3. За показником міцності розрізняють чотири групи ґрунтів: • Міцність структурних зв'язків 1. L=l Відсутня 2. 1 >L > 0, 5 Низька 3. 0, 5 > L > 0, 2 Середня 4. 0, 2 > І > 0 Висока Визначення будь якої характеристики ґрунту за одним зраз ком дає тільки окреме значення, тому необхідно її визначати багаторазово, виконуючи статистичну обробку результатів. За даними окремих визначень розраховують нормативне значення AN як середньоарифметичну величину: п AN = 1/n i. Aі, (9) І де п — число експериментів; Аі — окреме значення характеристики. Розрахункові характеристики визначають за формулою Ар = AN/KS, (10)

• • • • де Ks — коефіцієнт безпеки по ґрунту (Ks > 1). Розрахункові значення фізичних характеристик та характеристик стисливості звичайно використовують з коефіцієнтом Ks = 1; Для питомої ваги ґрунту коефіцієнт безпеки беруть більше одиниці залежно від кількості і якості експериментів. Для визначення нормативних значень характеристик міцності використовують метод найменших квадратів: (11) (12) де і – дотична напруга при тиску pj; – загальний знаменник, який визначають з виразу (13) Середні квадратичні відхилення визначають за формулами (14) (15) (16) де , с, tg – відповідно середні квадратичні відхилення відповідно для опору зрушенню, питомого зчеплення і тангенса к; та внутрішнього тертя.

• • Коефіцієнт варіації розраховують за формулою • i = i/AіN (17) Показник точності оцінки середнього значення характеристики ґрунту визначають з виразу (18) Таблиця 1. Коефіцієнти t для визначення показника точності оцінки середнього значення характеристик ґрунту Число Ступенів свободи t для односторонньої надійної ймовірності 0, 85 0, 95 t для односторонньої надійної Чи сло Ст упен ів св обод и 0, 85 ймовірності 0, 35 2 1, 34 2, 92 7 1, 12 1, 9 3 1, 25 2, 35 8 1, 11 1, 86 4 1, 19 2, 13 9 1, 1 1, 83 5 1, 16 2, 01 10 1, 1 6 1, 13 1, 94 1, 81

• • • де t i – коефіцієнт, що визначається з табл. 1 залежно від заданої надійної ймовірності а, яку для розрахунку основ за не сучою здатністю приймають = 0, 95, а для розрахунків за деформаціями = 0, 85 і при числі ступенів свободи п – 2. Коефіцієнт безпеки по ґрунту K визначають за формулою (19) де і – показник точності, розрахований за формулою (18). Знаючи нормативні значення N та c. N та коефіцієнти безпеки по ґрунту, за формулою (10) знаходять розрахункові значення характеристик міцності.

МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ҐРУНТІВ. Тема. ОПІР ГРУНТІВ ЗСУВУ Розглянемо споруду, яка розміщена поблизу укосу і сприймає горизонтальні й вертикальні навантаження (рис. 1). В даному випадку несуча здатність ґрунту може бути вичерпана в результаті втрати стійкості укосу (лінія 1), площинного зсуву фундаменту (лінія 2) чи випирання ґрунту з підошви фундаменту (лінія 3). В усіх випадках втрата несучої здатності відбувається шляхом зсуву однієї частини ґрунту (споруди) відносно іншої, нерухомої частини. Міцність ґрунту буде тим більшою, чим більший його опір зсуву, тобто чим більшими будуть коефіцієнт тертя і зчеплення між окремими частинками ґрунту. 1. Опір ґрунтів зсуву. Опір зсуву в лабораторних умовах найчастіше визначають за допомогою одноплощин них зсувних приладів, основною частиною яких є зрізувач (рис. 2). Випробування виконують таким чином. У спеціальних приладах (ущільнювачах) попередньо ущільнюють зразки ґрунту під тиском, при якому вони будуть випробуватись на зсув (наприклад, 0, 1; 0, 2; 0, 3 MПа).

Потім переносять один зразок у зрізувач, прикладають вертикальне навантаження, яке створює нормальний тиск, при якому ущільнювався зразок ґрунту в ущільнювачі (наприклад, р1=0, 1 МПа р=N/A, де A – площа поперечного перерізу зразка ґрунту) і і окремими ступенями передають на рухому обойму горизонтальні навантаження до моменту, коли відбудеться зсув. Кожний ступінь витримується до умовної стабілізації, при якій горизонтальне переміщення верхньої (рухомої) частини зразка не перевищує 0, 01 мм за останні 2 хв. спостережень. Залежність між дотичними (зсувними) напруженнями ( = Q/A) у зразках і їх переміщенням буде мати вигляд, (1) показаний на рис. 3. За результатами дослідів будують графік. На осі абсцис наносять нормальні напруження s , а на осі ординат відповідні їм значення граничних зсувних напружень t (рис. 4, чи 5). Для графіків відповідно можна записати (1) (2) де, tg коефіцієнт внутрішнього тертя; – кут внутрішнього тертя; c – питоме зчеплення (викликане структурними зв’язками ґрунту).

• • Ці залежності виражають закони Кулона для сипких і зв’язних ґрунтів. Величини j і c називаються характеристиками міцності ґрунтів. Вирази (1) і (2) справедливі для граничного стану ґрунту, тобто стану, при якому він вичерпує свою міцність, і в області невеликих нормальних напружень (до 0, 6 МПа). Якщо лінію залежності ( = f( ) провести до перетину з віссю абсцис, одержимо значення PС - фіктивний тиск зв‘язності. З рис. 5 видно, що (3) 2. Ефективний і нейтральний тиск. Описані вище досліди називаються консолідовано дренованими, тому що ґрунт попередньо ущільнюється (консолідується) і при цьому надається можливість фільтрації (дренажу) води через отвори в штампі. Якщо випробування на зсув виконувати без попереднього ущільнення і без надання можливості фільтрації води із зразка, то такі досліди називаються неконсолідовано недренованими. Вони моделюють роботу водонасичених глинистих ґрунтів в основі фундаментів. При цьому частина напруження буде сприйматися ґрунтовою водою і закон Кулона прийме такий , вигляд (4) де u - напруження, які сприймає вода. Як видно із (4), опір зсуву, а відповідно і міцність водонасичених глинистих ґрунтів зменшується за рахунок порових напружень. У водонасичених пісках процес консолідації відбувається дуже швидко і всі напруження сприймаються ґрунтовими частинками (скелетом).

• • Для кращого розуміння процесу ущільнення ґрунту в часі розглянемо механічну модель ґрунтової маси (всі пори ґрунту повністю заповнені водою - п. 2). В циліндричній посудині, яка має поршень з мікроскопічними отворами, розміщені пружина і вода (рис. 6). Пружина моделює роботу скелета ґрунту. Зразу ж після передачі тиску p на поршень вся його величина буде сприйматись тільки водою (p= u) u - нейтральні напруження (тиск). У процесі витіснення води через отвори частина тиску буде поступово сприйматися пружиною (p = u + ) – ефективні напруження (тиск). Після повного стиснення пружини на останню буде передаватись вся величина тиску p (p = ). . Отже, у водонасичених глинистих ґрунтах напруження буде сприйматися скелетом тільки після повної консолідації таких ґрунтів. Механічна модель (рис. 6) демонструє, що в процесі ущільнення ґрунту в ньому одночасно діють дві системи тисків: тиск в скелеті ґрунту - ефективний, і тиск в поровій воді - нейтральний. Ефективний тиск характеризує напружений стан скелета ґрунту. Під цим тиском ґрунту уже деформувався, тобто ущільнився і зміцнився. Отже, такий тиск позитивно впливає на стан ґрунту. Нейтральний тиск не впливає на напружений стан скелета повністю водонасиченого фрунту, тобто він нейтральний у відношенні до скелета ґрунту. 3. Стабілометричні випробування. Випробування ґрунтів розглянутим вище методом одноплощинного зсуву не відповідає складному напруженому стану ґрунтів при дії зовнішніх навантажень від фундаментів будівель і споруд, тому останнім часом для визначення характеристик міцності використовують випробування на трьохосьове стиснення. Схема приладу на трьохосьове стиснення (стабілометра) показана на рис. 7. Циліндричний зразок ґрунту 1 в гумовій оболонці піддають всесторонньому стиненню рідиною 2 інтенсивністю 2 = 3.

• • • Потім через шток 3 до поршня 4 прикладають вертикальне навантаження N, створюючи на зразок вертикальний тиск p 1 (після сумування з p 2 = p 3). Збільшуючи тиск p 1 можна досягти повного руйнування зразка ґрунту або значного його розширення. Для визначення характеристик міцності сипких ґрунтів достатньо виконати одне випробування і побудувати коло Мора, діаметр якого дорівнює 1 – 2. Дотична до кола Мора 0 М, проведена через початок координат, визначить кут внутрішнього тертя (рис. 8). Аналітичний вираз для визначення має вигляд • (5) 1) 21 22 2) 11 12

• • • Для зв‘язних ґрунтів виконується два випробування при різних значеннях p 2 = p 3. Потім будують два кола Мора (рис. 3. 9), дотична до яких і визначить кут внутрішнього тертя й питоме зчеплення ґрунту c. Аналітичні вирази для визначення та c мають вигляд (6) (7) Кут внутрішнього тертя і питоме зчеплення визначають на основі не менше 18 дослідів. У цьому випадку коефіцієнти tg і c рівняння (2) можуть бути підібрані методом найменших квадратів (див. п. 9. 3).

• • • Тема. МОДУЛЬ ДЕФОРМАЦІЇ ГРУНТІВ 1. Компресійні дослідження. Для визначення деформації ґрунтів необхідно знати коефіцієнт пропорційності між деформаціями і напруженнями - модуль деформації. Модуль деформації поширених, відносно однорідних матеріалів (бетон, метал) наводиться в довідниках. Природні ж ґрунти за своїми механічними властивостями є дуже різноманітними. Тому, зазвичай, перед розрахунками ґрунтових основ виконують дослідне визначення модуля деформації. Модуль деформації, в основному, визначають за результатами компресійних, cтабілометричних і штампових випробувань або за таблицями будівельних норм СНи. П 2. 01 -83 [24]. Оскільки ґрунт складається з твердих частинок і пор (частково чи повністю заповнених водою і повітрям), то теоретично при його стисненні повинні зменшуватись об‘єми всіх компонентів. Оскільки напруження стиснення, які зазвичай виникають в основах фундаментів, при дії навантажень від надземних конструкцій, порівняно незначні, об‘ємні деформації твердих частинок незрівнянно малі і до уваги не беруться. Отже, можна вважати, що зміна об‘єму ґрунту при стисненні відбувається лише за рахунок зміни об‘єму пор, яка може відбуватися внаслідок взаємного переміщення окремих частинок в результаті руйнування структурних зв‘язків ґрунту з витісненням повітря і води. В лабораторних умовах модуль деформації визначають за допомогою копресійного приладу, основною частиною якого є одометр. Це кругла обойма 1 з днищем 2 (рис. 1. ). Грунт 3 розміщується в кільці 4. Навантаження N передається через штамп 5. Фільтрація води проходить через отвори, які є в днищі і штампі. Деформації ґрунту вимірюють індикаторами 6.

• • Оскільки зразок ґрунту в кільці не має можливості бічного розширення, то зміну його пористості ni (відношення об‘єму пор до об‘єму ґрунту (2. 8)) під тиском pi , розподіленим по площі A, знайдемо з виразу (1) де h - початкова висота зразка; hi - деформація зразка від тиску pi. Об‘єм твердих частинок до і після деформації незмінний (наше припущення), тому об‘єм твердих частинок в одиниці об‘єму зразка дорівнюватиме (2. 9) m = 1/(1+e 0), (2) де e 0 - початковий коефіцієнт пористості ґрунту. Згідно з (2. 10) e = n/m. Поділивши вираз (1) на (2), одержимо вираз для визначення зміни коефіцієнта пористості ґрунту ei під дією тиску pi (3) Урахувавши ei для e 0 одержимо остаточний вираз для коефіцієнта пористості при дії тиску pi (4) Після визначення значень ei при різних тисках pi будують залежність ei = f(pi), що має назву компресійної кривої (рис. 2).

При зростанні тиску коефіцієнт пористості зменшується (лінія 1 рис. 2). Якщо тиск поступово зменшувати, то зразок частково відновить деформацію і коефіцієнт пористості зросте (лінія 2 рис. 2). Первинна висота зразка не буде повністю відновлена, тому що при розвантаженні відновлюються лише пружні деформації. На початковій ділянці залежність ei = f(pi) є лінійною, а деформації незначними. На цій ділянці чинять опір зовнішнім навантаженням структурні зв’язки ґрунтів. Міцність цих зв’язків називається структурною міцністю pstr. Якщо обмежитись незначною зміною тиску р = 0, 1. . . 0, 5 м. Па (реальний тиск, який може виникати в основах споруд), то компресійну криву можна замінити прямою лінією АВ (рис. 3) Тангенс кута нахилу цієї прямої до осі тисків називається коефіцієнтом стисливості m 0 (5) Рис. 3. Схема для визначення коефіцієнта стисливості. en, ek – коефіцієнти пористості відповідно при початковому pn і кінцевому pk тиску. З певним (доволі суттєвим) наближенням можна записати рівняння компресійної кривої у такому вигляді ei =e 0 – m 0 pi (6)

• Модуль деформації ґрунту за результатами компресійних дослідів визначають за виразом (7) • де - коефіцієнт, що враховує неможливість поперечного розширення ґрунту в компресійному приладі. В компресійному приладі ґрунт може деформуватись тільки у вертикальному напрямку. Це погано моделює роботу ґрунту під фундаментами невеликих розмірів (фундаменти більшості будівель), де величина горизонтальних деформацій є суттєвою. Під фундаментами великих розмірів переважають деформації ґрунту у вертикальному напрямку. Тому модуль деформації, одержаний за результатами компресійних випробувань, широко використовується для проектування гідротехнічних споруд, а в промисловому і цивільному будівництві тільки для споруд III класу капітальності. З урахуванням вищесказаного модуль деформацій ґрунтів E, знайдений за результатами компресійних випробувань визначають за формулою E = Ekmk (8) де mk - поправочний коефіцієнт (див. п. 4. 3 останній обзац). 2. Стабілометричні випробування. Особливістю випробувань на трьохосьове стиснення в стабілометрі є можливість одночасного визначення характеристик стисливості і міцності. Модуль деформації за результатами стабілометричних випробувань визначають для довільної точки в межах ділянки пропорційності ОА (рис. 4) за формулою (9) де qzp - величина бічних стискуючих напружень (девіатор напружень) визначається з виразу qzp = 1/А (10) де 1 - загальна величина головного напруження (після сумування з 2 = 3); • • •

• • • (11) де A 0 - початкова площа поперечного перерізу зразка; A - площа поперечного перерізу зразка при дії напруження 1; zp = h/h 0 (12) де hi - вертикальна деформація зразка при напруженні 1; h 0 - початкова висота зразка. 3. Метод штампових випробувань є еталонним, тобто найбільш точним. Його суть полягає в наступному. На жорсткий круглий штамп окремими ступенями передають навантаження і визначають при цьому його осідання. Кожний ступінь витримують до моменту умовної стабілізації, при якій переміщення штампа не повинні перевищувати 0, 1 мм за останні 0, 5; 1, 0 або 2 год. залежно від ґрунту. Випробування можуть виконуватись у свердловинах, шурфах або котлованах. Площа штампа залежить від місця випробування (свердловина, котлован) і змінюється від 600 до 10000 см 2.

• Навантаження передають гідродомкратами або тарованими вантажами. На рис. 5 наведена найпоширеніша схема штампових випробувань. За результатами дослідів будують графік залежності осідань штампа S від тиску по його підошві p (рис. 6). • Модуль деформації визначають за формулою (13) де - безрозмірний коефіцієнт; d - діаметр штампа; p - зміна тиску на лінійній ділянці; S - приріст деформації в інтервалі p; - коефіцієнт Пуассона. !!! Поправочний коефіцієнт mk у виразі (8) отримано на основі порівняльного аналізу компресійних і штампових визначень модуля деформації ґрунту.

Об‘єм профільтрованої води буде тим більшим, чим більша її швидкість при фіксованих значеннях решти параметрів. Тому величину q можна назвати швидкістю фільтрації і вимірювати одиницями швидкості (см/с, м/доб). Оскільки швидкість, зазвичай, позначають буквою , то можна записати • v = kf. I (4) kf у виразі (4) прийнято називати коефіцієнтом фільтрації. Він є характеристикою водопроникності порід. Коефіцієнт фільтрації входить у розрахункові формули для визначення припливу води до різноманітних водозабірних споруд, а також у формули для розрахунку деформацій основ будівель і споруд в часі. В лабораторних умовах коефіцієнт фільтрації визначається з допомогою різних приладів. Такі прилади принципово нічим не відрізняються від приладу Дарсі (наприклад, універсальна трубка). Коефіцієнт фільтрації, (м/доб), при заданій температурі визначають за формулою • (5) де 864 - коефіцієнт для переведення одиниць см/с в м/доб; Q - об'єм профільтрованої води, см 3; t - час фільтрації, с; A - площа поперечного перерізу трубки, см 2; I - гідравлічний градієнт. Величини A та I є параметрами приладу, отже, дослід зводиться до визначення часу t , протягом якого профільтрується об'єм води Q. Найточніше коефіцієнт фільтрації можна визначити шляхом проведення дослідних відкачувань води в польових умовах.

Тема. ВОДОПРОНИКНІСТЬ ГРУНТУ Під час проектування водозниження, осушення та водопостачання треба знати скільки води надходить до різних водозабірних споруд (колодязів, свердловин, канав, будівельних котлованів). Приплив води до водозабірних споруд обчислюють з урахуванням характеру її руху (ламінарний або турбулентний) у водоносному шарі, гідравлічних умов (води ненапірні або напірні) та особливостей обладнання водозабірної споруди. Підземні води, як правило, перебувають у русі (рухаються в порах, тріщинах та розломах ґрунтів). Рух води в тріщинах та розломах - швидкий, турбулентний. Рух води в порах гірських порід можна розглядати як спокійний, ламінарний. Цей рух одержав назву фільтрації. 1. Коефіцієнт фільтрації. Фільтрація має певну закономірність, яка була вперше встановлена французьким інженером А. Дарсі в 1856 p. Дарсі сконструював прилад для вивчення водопроникності пісків (рис. 1). З допомогою цього приладу він одержав таку залежність • Q = kf. IAt, (1) де Q - об'єм профільтрованої води; kf - коефіцієнт пропорційності, який залежить від виду ґрунту; A - площа фільтрації; t - час фільтрації; I - гідравлічний градієнт • I = (H - h)/L (2) де H - напірводи в колбі; h - напір води в посудині; L - довжина шляху фільтрації. Розділивши ліву та праву частини виразу (1) на At , одержимо об'єм води, що фільтрується за одиницю часу через одиницю площі q • (3)

Об‘єм профільтрованої води буде тим більшим, чим більша її швидкість при фіксованих значеннях решти параметрів. Тому величину q можна назвати швидкістю фільтрації і вимірювати одиницями швидкості (см/с, м/доб). Оскільки швидкість, зазвичай, позначають буквою , то можна записати v = kf. I (4) kf у виразі (4) прийнято називати коефіцієнтом фільтрації. Він є характеристикою водопроникності порід. Коефіцієнт фільтрації входить у розрахункові формули для визначення припливу води до різноманітних водозабірних споруд, а також у формули для розрахунку деформацій основ будівель і споруд в часі. В лабораторних умовах коефіцієнт фільтрації визначається з допомогою різних приладів. Такі прилади принципово нічим не відрізняються від приладу Дарсі (наприклад, універсальна трубка). Коефіцієнт фільтрації, (м/доб), при заданій температурі визначають за формулою • (5) де 864 - коефіцієнт для переведення одиниць см/с в м/доб; Q - об'єм профільтрованої води, см 3; t - час фільтрації, с; A - площа поперечного перерізу трубки, см 2; I - гідравлічний градієнт. Величини A та I є параметрами приладу, отже, дослід зводиться до визначення часу t , протягом якого профільтрується об'єм води Q. Найточніше коефіцієнт фільтрації можна визначити шляхом проведення дослідних відкачувань води в польових умовах.

2. Початковий градієнт напору. Великоуламкові і піщані ґрунти мають великий kf супіски менший, суглинки ще менший, а глини взагалі є водоупорами. Чому це так? ! Рух води в ґрунті відбувається по закону ламінарної фільтрації (крива 1 на рис. 2), коли грунт містить вільну воду в порах (великоуламкові і піщані ґрунти), більша частина яких з‘єднана одна з одною. В щільному пилувато-глинистому ґрунті, в порах якого нема вільної води (вона перебуває в ґрунті переважно у вигляді гідратних оболонок зв‘язаної води, які окружають частинки ґрунту), або якщо є, то знаходиться в роз‘єднаних між собою порах, фільтрація води починаєтся лише при градієнті, який більший деякого значення, необхідного для подолання опору водно-колоїдних плівнок її рухові. В такому випадку залежність між градієнтом і швидкістю фільтрації буде мати вигляд кривої 2, зображеної на рис. 2. На цій кривій можна виділити дві основні ділянки: криволінійна АВ, яка відповідає переходу від момента виникнення фільтрації до момента розвитку постійної фільтрації, і ділянку постійної фільтрації ВС. Для ділянки ВС швидкість фільтрації знаходять за виразом (6) де k f - коефіцієнт фільтрації на відрізку АВ; Ib - початковий градієнт напору.