Определение деформационных и прочностных свойств грунтов. Деформационные свойства грунтов. Приборы для определения прочности

Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разрушение грунта . Соотношение между предельными касательными τ и нормальными к площадкам сдвига σ напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора

Цытович И.А. Механика грунтов

τ = σ tgφ + c ,

где φ — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.

Характеристики прочности φ и с определяют в лабораторных и полевых условиях. Для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать значения φ и с по табл. 1.17 и 1.18.

ТАБЛИЦА 1.17. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИИ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

Песок	Характеристика	Значения с e
		0,45	0,55	0,65	0,75
Гравелистый и крупный	с φ	2 43	1 40	0 38	- -
Средней крупности	с φ	3 40	2 38	1 35	- -
Мелкий	с φ	6 38	4 36	2 32	0 28
Пылеватый	с φ	8 36	6 34	4 30	2 26

Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварцевым пескам (см. табл. 1.12).

ТАБЛИЦА 1.18. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИЯ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Грунт	Показатель текучести	Характеристика	Значения с и φ при коэффициенте пористости е
			0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
Супесь	0 < I L ≤ 0,25	с φ	21 30	17 29	15 27	13 24	- -	- -	- -
	0,25 < I L ≤ 0,75	с φ	19 28	15 26	13 24	11 21	9 18	- -	- -
Суглинок	0 < I L ≤ 0,25	с φ	47 26	37 25	31 24	25 23	22 22	19 20	- -
	0,25 < I L ≤ 0,5	с φ	39 24	34 23	28 22	23 21	18 19	15 17	- -
	0,5 < I L ≤ 0,75	с φ	- -	- -	25 19	20 18	16 16	14 14	12 12
Глина	0 < I L ≤ 0,25	с φ	- -	81 21	68 20	54 19	47 18	41 16	36 14
	0,25 < I L ≤ 0,5	с φ	- -	- -	57 18	50 17	43 16	37 14	32 11
	0,5 < I L ≤ 0,75	с φ	- -	- -	45 15	41 14	36 12	33 10	29 7

Примечание. Значения с и φ не распространяются на лёссовые грунты.

1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях

В практике исследований грунтов применяют метод среза грунта по фиксированной плоскости в приборах одноплоскостного среза. Для получения φ и с необходимо провести срез не менее трех образцов грунта при различных значениях вертикальной нагрузки. По полученным в опытах значениям сопротивления срезу τ строят график линейной зависимости τ = f (σ) и находят угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Зависимость сопротивления срезу грунта τ от нормального напряжения σ

Различают две основные схемы опыта: медленный срез предварительно уплотненного до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание).

Значения φ и с , полученные по методике медленного консолидированного среза, используются для определения расчетного сопротивления грунта, а также для оценки несущей способности основания, находящегося в стабилизированном состоянии (все напряжения от внешней нагрузки восприняты скелетом грунта). Значения φ и с , полученные по методике быстрого неконсолидированного среза, используются для определения несущей способности медленно уплотняющихся водонасыщенных суглинков и глин, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов. В таких грунтах возможно возникновение нестабилизированного состояния (наличие избыточного давления в поровой воде) вследствие их медленной консолидации или быстрой передачи нагрузки от сооружения (силосы, резервуары, склады сырья и т.п.).

Метод определения характеристик прочности φ и с в условиях трехосного сжатия в большей степени соответствует напряженному состоянию грунта в основании сооружения. Испытание проводится на приборе, в котором образец грунта подвергается всестороннему гидростатическому давлению и добавочному вертикальному (осевому). Для определения прочностных характеристик грунтов проводят серию испытаний при различных соотношениях давлений, доводя образец до разрушения, в результате каждого опыта получают значения наибольшего σ 1 и наименьшего σ 3 главных нормальных напряжений в момент разрушения. Графически зависимость между главными касательными и нормальными напряжениями представляют с помощью кругов Мора, каждый из которых строится на разности напряжений σ 1 и σ 3 (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

Общая касательная к этим кругам удовлетворяет условию прочности (1.5) и позволяет определить характеристики φ и с .

В приборах трехосного сжатия проводят следующие испытания:

• - недренированное — дренирование воды из образца грунта отсутствует в течение всего опыта;
• - консолидировано-недренированное — дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления и образец полностью уплотняется, в процессе приложения осевых нагрузок дренирование отсутствует;
• - дренированное — дренирование обеспечивается в течение всего испытания.

Недренированные испытания водонасыщенных грунтов проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через общие (тотальные) напряжения. Дренированные испытания проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через эффективные напряжения. При этом в процессе опыта должно быть достигнуто полностью консолидированное состояние грунта. Прочностные характеристики грунтов, выражаемые через эффективные напряжения, могут быть определены также для образцов грунта, испытанных в неполностью консолидированном состоянии, при условии измерения в процессе опыта давления в поровой воде.

Количественной характеристикой прочности скальных грунтов является предел прочности на одноосное сжатие R c , определяемый раздавливанием образца грунта и вычисляемый по формуле

R с = P /F ,

где Р — нагрузка в момент разрушения образца грунта; F — площадь поперечного сечения образца грунта.

1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

Полевое испытание на срез в заданной плоскости целика грунта, заключенного в кольцевую обойму, аналогично лабораторному испытанию на срез в одноплоскостных срезных приборах. Испытания проводятся в шурфах, котлованах, штреках и т.д. Для получения характеристик φ и с определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения φ и с находят на основе построения зависимости (1.5), как это показано на рис. 1.5.

Полевое определение характеристик φ и с в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 1.7. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза — с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины и создастся нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза — выдергивающей силы. Для получения φ и с необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость τ = f (σ) (см. рис. 1.5).

Рис. 1.7.

а — кольцевой; б — поступательный; в — вращательный крыльчаткой: 1 — лопасти; 2 — распорные штампы; 3 — скважины; 4 — штанги; 5 — устройства для создания и измерения усилия

Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 1.7), позволяет определить сопротивление срезу τ , поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, сапропелях, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять с = τ . Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.

Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения φ и с вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.

Угол внутреннего трения песчаных грунтов может быть определен с помощью статического и динамического зондирования. По данным статического зондирования угол φ имеет следующие значения:

q c , МПа	1	2	4	7	12	20	30
φ , град	26	28	30	32	34	36	38

Значения φ по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.19. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов на срез. Для сооружений III класса допускается определять φ только по результатам зондирования.

ТАБЛИЦА 1.19. ЗНАЧЕНИЯ УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

1. Характеристики грунтов, приведенные в табл. 1-3, допускается использовать в расчетах оснований сооружений в соответствии с указаниями п. 2.16.

Таблица 1

с n j n , град. и модуля деформации Е , МПа (кгс/см 2), песчанных грунтов четвертичных отложений

Песчаные грунты		Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е , равном
0,45	0,55	0,65	0,75
Гравелистые и крупные	c n	2(0,02)	1(0,01)	-	-
j n				-
E	50(500)	40(400)	30(300)	-
Средней крупности	c n	3(0,03)	2(0,02)	1(0,01)	-
j n				-
E	50(500)	40(400)	30(300)	-
Мелкие	c n	6(0,06)	4(0,04)	2(0,02)	-
j n
E	48(480)	38(380)	28(280)	18(180)
Пылеватые	c n	8(0,08)	6(0,06)	4(0,04)	2(0,02)
j n
E	39(390)	28(280)	18(180)	11(110)

Таблица 2

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

	Обозначения характеристик грунтов	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е , равном
0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
Супеси	0 £ I L £ 0,25	c n j n	21 (0,21)	17 (0,17)	15 (0,15)	13 (0,13)	- -	- -	- -
0,25 < I L £ 0,75	c n j n	19 (0,19)	15 (0,15)	13 (0,13)	11(0,11)	9 (0,9)	- -	- -
Суглинки	0 < I L £ 0,25	c n j n	47 (0,47)	37 (0,37)	31 (0,31)	25 (0,25)	22 (0,22)	19 (0,19)	- -
0,25 < I L £ 0,5	c n j n	39 (0,39)	34 (0,34)	28 (0,28)	23 (0,23)	18 (0,18)	15 (0,15)	- -
0,5 < I L £ 0,75	c n j n	- -	- -	25 (0,25)	20 (0,20)	16 (0,16)	14 (0,14)	12 (0,12)
Глины	0 < I L £ 0,25	c n j n	- -	81 (0,81)	68 (0,68)	54 (0,54)	47 (0,47)	41 (0,41)	36 (0,36)
0,25 < I L £ 0,5	c n j n	- -	- -	57 (0,57)	50 (0,50)	43 (0,43)	37 (0,37)	32 (0,32)
0,5 < I L £ 0,75	c n j n	- -	- -	45 (0,45)	41 (0,41)	36 (0,36)	33 (0,33)	29 (0,29)

Таблица 3

Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых грунтов

Происхождение и возраст грунтов	Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести	Модуль деформации грунтов Е , МПа (кг/см 2), при коэффициенте пористости е , равным
0,35	0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05	1,2	1,4	1,6
Четвертичные отложения	Аллювиальные, Делювиальные, Озерные, Озерно-аллювиальные	Супеси	0 £ I L £ 0,75	-	32 (320)	24 (240)	16 (160)	10 (100)	7 (70)	-	-	-	-	-
Суглинки	0 £ I L £ 0,75	-	34 (340)	27 (270)	22 (220)	17 (170)	14 (140)	11 (110)	-	-	-	-
0,25 < I L £ 0,5	-	32 (320)	25 (250)	19 (190)	14 (140)	11 (110)	8 (80)	-	-	-	-
0,5 < I L £ 0,75	-	-	-	17 (170)	12 (120)	8 (80)	6 (60)	5 (50)	-	-	-
Глины	0 £ I L £ 0,75	-	-	28 (280)	24 (240)	21 (210)	18 (180)	15 (150)	12 (120)	-	-	-
0,25 < I L £ 0,5	-	-	-	21 (210)	18 (180)	15 (150)	12 (120)	9 (90)	-	-	-
0,5 < I L £ 0,75	-	-	-	-	15 (150)	12 (120)	9 (90)	7 (70)	-	-	-
Флювиоглянциальные	Супеси	0 £ I L £ 0,75	-	33 (330)	24 (240)	17 (170)	11 (110)	7 (70)	-	-	-	-	-
Суглинки	0 £ I L £ 0,75	-	40 (400)	33 (330)	27 (270)	21 (210)	-	-	-	-	-	-
0,25 < I L £ 0,5	-	35 (350)	28 (280)	22 (220)	17 (170)	14 (140)	-	-	-	-	-
0,5 < I L £ 0,75	-	-	-	17 (170)	13 (130)	10 (100)	7 (70)	-	-	-	-
Моренные	Супеси Суглинки	I L £ 0,5	75 (750)	55 (550)	45 (450)	-	-	-	-	-	-	-	-
Юрские отложения оксфордского яруса	Глины	-0,25 £I L £ 0	-	-	-	-	-	-	27 (270)	25 (250)	22 (220)	-	-
0 < I L £ 0,25	-	-	-	-	-	-	24 (240)	22 (220)	19 (190)	15 (150)	-
0,25 < I L £ 0,5	-	-	-	-	-	-	-	-	16 (160)	12 (120)	10 (100)

2. Характеристики песчаных грунтов в табл. 1 относятся к кварцевым пескам с зернами различной окатанности, содержащим не более 20 % полевого шпата и не более 5 % в сумме различных примесей (слюда, глауконит и пр.), включая органическое вещество, независимо от степени влажности грунтов S r .

3. Характеристики пылевато-глинистых грунтов в табл. 2 и 3 относятся к грунтам, содержащим не более 5% органического вещества и имеющим степень влажности S r = 0,8.

4. Для грунтов с промежуточными значениями е , против указанных в табл. 1-3, допускается определять значения c n , j n и E по интерполяции.

Если значения е , I L и S r грунтов выходят за пределы, предусмотренные табл. 1-3, характеристики с n , j n и E следует определять по данным непосредственных испытаний этих грунтов.

Допускается в запас надежности принимать характеристики с n , ц n и Е по соответствующим нижним пределам е , I L и S r табл.1-3, если грунты имеют значения e , I L и S r меньше этих предельных значений.

5. Для определения значений с n , j n и Е по табл.1-3 используются нормативные значения е , I L и S r (п.2.12).

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Обязательное

РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЙ 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСАДКИ

1. Осадка основания s c использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства (п.2.40) определяется методом послойного суммирования по формуле

где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

s zp , i - среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i -м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней z i - 1 и нижней z i границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента (см. пп. 2-4);

h i и Е i - соответственно толщина и модуль деформации i- го слоя грунта;

n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

При этом распределение вертикальных нормальных 2 напряжений по глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.

1 В настоящем приложении, кроме специально оговоренных случаев, приняты следующие единицы:

для линейных величин - м (см), для сил - кН (кгс); для напряжений, давлений и модулей деформации - кПа (кгс/см 2); для удельного веса - кН/м 3 (кгс/см 3).

Примечание. При значительной глубине заложения фундаментов расчет осадки рекомендуется производить с использованием расчетных схем, учитывающих разуплотнение грунта вследствие разработки котлована.

2. Дополнительные вертикальные напряжения на глубине z от подошвы фундамента: s zp - по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, и s zp , c - по вертикали, проходящей через угловую точку прямоугольного фундамента, определяются по формулам:

s zp = ap 0 ; (2)

s zp,c = ap 0 /4, (3)

где a - коэффициент, принимаемый по табл.1 в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, равной: о = 2z/b при определении у zp и о = z/b при определении у zp , c ;

p 0 = p - s zg , 0 - дополнительное вертикальное давление на основание (для фундаментов шириной b ³ 10 м принимается р 0 = р );

р

s zg , 0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента (при планировке срезкой принимается s zg , 0 = g d , при отсутствии планировки и планировке подсыпкой s zg , 0 = gd n , где g / - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы, d и d n - обозначены на рис.1).

Рис. 1. Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве

DL - отметка планировки; NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - уровень подземных вод; В,С - нижняя граница сжимаемой толщи; d и d n глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b - ширина фундамента; р - среднее давление под подошвой фундамента; р 0 - дополнительное давление на основание; s zg и s zg, s zp и s zр, 0 - дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; Н с - глубина сжимаемой толщи

Таблица 1

Коэффициент a

x = 2z /b	Коэффициент a для фундаментов
круглых	h = l /b , равным	ленточных (h ³ 10)
1,0	1,4	1,8	2,4	3,2
	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000
0,4	0,949	0,960	0,972	0,975	0,976	0,977	0,977	0,977
0,8	0,756	0,800	0,848	0,866	0,876	0,879	0,881	0,881
1,2	0,547	0,606	0,682	0,717	0,739	0,749	0,754	0,755
1,6	0,390	0,449	0,532	0,578	0,612	0,629	0,639	0,642
2,0	0,285	0,336	0,414	0,463	0,505	0,530	0,545	0,550
2,4	0,214	0,257	0,325	0,374	0,419	0,449	0,470	0,477
2,8	0,165	0,201	0,260	0,304	0,349	0,383	0,410	0,420
3,2	0,130	0,160	0,210	0,251	0,294	0,329	0,360	0,374
3,6	0,106	0,131	0,173	0,209	0,250	0,285	0,319	0,337
4,0	0,087	0,108	0,145	0,176	0,214	0,248	0,285	0,306
4,4	0,073	0,091	0,123	0,150	0,185	0,218	0,255	0,280
4,8	0,062	0,077	0,105	0,130	0,161	0,192	0,230	0,258
5,2	0,053	0,067	0,091	0,113	0,141	0,170	0,208	0,239
5,6	0,046	0,058	0,079	0,099	0,124	0,152	0,189	0,223
6,0	0,040	0,051	0,070	0,087	0,110	0,136	0,173	0,208
6,4	0,036	0,045	0,062	0,077	0,099	0,122	0,158	0,196
6,8	0,031	0,040	0,055	0,064	0,088	0,110	0,145	0,185
7,2	0,028	0,036	0,049	0,062	0,080	0,100	0,133	0,175
7,6	0,024	0,032	0,044	0,056	0,072	0,091	0,123	0,166
8,0	0,022	0,029	0,040	0,051	0,066	0,084	0,113	0,158
8,4	0,021	0,026	0,037	0,046	0,060	0,077	0,105	0,150
8,8	0,019	0,024	0,033	0,042	0,055	0,071	0,098	0,143
9,2	0,017	0,022	0,031	0,039	0,051	0,065	0,091	0,137
9,6	0,016	0,020	0,028	0,036	0,047	0,060	0,085	0,132
10,0	0,015	0,019	0,026	0,033	0,043	0,056	0,079	0,126
10,4	0,014	0,017	0,024	0,031	0,040	0,052	0,074	0,122
10,8	0,013	0,016	0,022	0,029	0,037	0,049	0,069	0,117
11,2	0,012	0,015	0,021	0,027	0,035	0,045	0,065	0,113
11,6	0,011	0,014	0,020	0,025	0,033	0,042	0,061	0,109
12,0	0,010	0,013	0,018	0,023	0,031	0,040	0,058	0,106

Примечания: 1. В табл. 1 обозначено: b - ширина или диаметр фундамента, l - длина фундамента.

2. Для фундаментов, имеющих подошву в форме правильного многоугольника с площадью А , значения a принимаются как для круглых фундаментов радиусом

3. Для промежуточных значений x и h коэффициент a определяется по интерполяции.

3. Дополнительные вертикальные напряжения s zp , u на глубине z по вертикали, проходящей через произвольную точку А (в пределах или за пределами рассматриваемого фундамента с дополнительным давлением по подошве, равным р 0), определяются алгебраическим суммированием напряжений s z р, ci в угловых точках четырех фиктивных фундаментов (рис.2) по формуле

. (4)

4. Дополнительные вертикальные напряжения s zg , nf на глубине z по вертикали, проходящей через центр рассчитываемого фундамента, с учетом влияния соседних фундаментов или нагрузок на прилегающие площади определяются по формуле

, (5)

где k - число влияющих фундаментов.

5. Вертикальное напряжение от собственного веса грунта s zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле

, (6)

где g / - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента;

d n - обозначение - см. рис. 1;

g i и h i - соответственно удельный вес и толщина i -го слоя грунта.

Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод, но выше водоупора, должен приниматься с учетом взвешивающего действия воды.

При определении s zg в водоупорном слое следует учитывать давление столба воды, расположенного выше рассматриваемой глубины.

6. Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине z = H c , где выполняется условие s z р = 0,2s zg (здесь s z р - дополнительное вертикальное напряжение на глубине по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяемое в соответствии с указаниями пп. 2 и 4; s zg - вертикальное напряжение от собственного веса грунта, определяемое в соответствии с п. 5).

Если найденная по указанному выше условию нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е < 5 МПа (50 кгс/см 2) или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = H c , нижняя граница сжимаемой толщи определяется исходя из условия s z р = 0,1s zg .

Рис. 2. Схема к определению дополнительных вертикальных напряжений s z р,а в основании рассчитываемого фундамента с учетом влияния соседнего фундамента методом угловых точек

а - схема расположения рассчитываемого 1 и влияющего фундамента 2; б - схема расположения фиктивных фундаментов с указанием знака напряжений s zр, cj в формуле (4) под углом i- го фундамента.

7. Осадка основания с использованием расчетной схемы линейно деформируемого слоя (см. п. 2.40 и рис. 3) определяется по формуле

, (7)

где р - среднее давление под подошвой фундамента (для фундаментов шириной b < 10 м принимается p = p 0 - см. п. 2);

b - ширина прямоугольного или диаметр круглого фундамента;

k c и k m - коэффициенты, принимаемые по табл. 2 и 3;

n - число слоев, различающихся по сжимаемости в пределах расчетной толщи слоя Н , определяемой в соответствии с указаниями п. 8;

k i и k i - 1 - коэффициенты, определяемые по табл. 4 в зависимости от формы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, на которой расположены подошва и кровля i -го слоя соответственно

Е i - модуль деформации i- го слоя грунта.

Примечание. Формула (7) служит для определения средней осадки основания, загруженного равномерно распределенной по ограниченной площади нагрузкой. Эту формулу допускается применять для определения осадки жестких фундаментов.

Таблица 2

Коэффициент k c

Таблица 3

Коэффициент k m

Таблица 4

Коэффициент k

x = 2z /b	Коэффициент k для фундаментов
круглых	прямоугольных с соотношением сторон h = l /b , равным	ленточных (h ³ 10)
1,0	1,4	1,8	2,4	3,2
	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
0,4	0,090	0,100	0,100	0,100	0,100	0,100	0,100	0,104
0,8	0,179	0,200	0,200	0,200	0,200	0,200	0,200	0,208
1,2	0,266	0,299	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,311
1,6	0,348	0,380	0,394	0,397	0,397	0,397	0,397	0,412
2,0	0,411	0,446	0,472	0,482	0,486	0,486	0,486	0,511
2,4	0,461	0,499	0,538	0,556	0,565	0,567	0,567	0,605
2,8	0,501	0,542	0,592	0,618	0,635	0,640	0,640	0,687
3,2	0,532	0,577	0,637	0,671	0,696	0,707	0,709	0,763
3,6	0,558	0,606	0,676	0,717	0,750	0,768	0,772	0,831
4,0	0,579	0,630	0,708	0,756	0,796	0,820	0,830	0,892
4,4	0,596	0,650	0,735	0,789	0,837	0,867	0,883	0,949
4,8	0,611	0,668	0,759	0,819	0,873	0,908	0,932	1,001
5,2	0,634	0,683	0,780	0,844	0,904	0,948	0,977	1,050
5,6	0,635	0,697	0,798	0,867	0,933	0,1981	1,018	1,095
6,0	0,645	0,708	0,814	0,887	0,958	1,011	1,056	1,138
6,4	0,653	0,719	0,828	0,904	0,980	1,041	1,090	1,178
6,8	0,661	0,728	0,841	0,920	1,000	1,065	1,122	1,215
7,2	0,668	0,736	0,852	0,935	1,019	1,088	1,152	1,251
7,6	0,674	0,744	0,863	0,948	1,036	1,109	1,180	1,285
8,0	0,679	0,751	0,872	0,960	1,051	1,128	1,205	1,316
8,4	0,684	0,757	0,881	0,970	1,065	1,146	1,229	1,347
8,8	0,689	0,762	0,888	0,980	1,078	1,162	1,251	1,376
9,2	0,693	0,768	0,896	0,989	1,089	1,178	1,272	1,404
9,6	0,697	0,772	0,902	0,998	1,100	1,192	1,291	1,431
10,0	0,700	0,777	0,908	1,005	1,110	1,205	1,309	1,456
11,0	0,705	0,786	0,922	1,022	1,132	1,233	1,349	1,506
12,0	0,720	0,794	0,933	1,037	1,151	1,257	1,384	1,550

Примечание. При промежуточных значениях x и h коэффициент k определяется по интерполяции

8. Толщина линейно-деформируемого слоя Н (рис. 3) в случае, оговоренном в п. 2.40а, принимается до кровли грунта с модулем деформации Е ³ 100 МПа (1000 кгс/см 2), а при ширине (диаметре) фундамента b ³ 10 м и среднем значении модуля деформации грунтов основания Е ³ 10 МПа (100 кгс/см 2), вычисляется по формуле

, (8)

где H 0 и y - принимаются соответственно равными для оснований, сложенных: пылевато-глинистыми грунтами 9 м и 0,15; песчаными грунтами - 6 м и 0,1;

k p - коэффициент, принимаемый равным: k p = 0,8 при среднем давлении под подошвой фундамента р = 100 кПа (1 кгс/см 2); k p = 1,2 при р = 500 кПа (5 кгс/см 2), а при промежуточных значениях - по интерполяции.

Рис. 3. схема к расчету осадок с использованием расчетной схемы основания в виде линейно деформируемого слоя.

Если основание сложено пылевато-глинистыми и песчаными грунтами, значение Н определяется по формуле

, (9)

где Н s - толщина слоя, вычисленная по формуле (8) в предположении, что основание сложено только песчаными грунтами;

H cl - суммарная толщина слоев пылевато-глинистых грунтов в пределах от подошвы фундамента до глубины, равной H cl – значению H , вычисленному по формуле (8) в предположении, что основание сложено только пылевато-глинистыми грунтами.

Значение Н , вычисленное по формулам (8) и (9), должно быть увеличено на толщину слоя грунта с модулем деформации Е < 10 МПа (100 кгс/см 2), если этот слой расположен ниже Н и толщина его не превышает 0,2Н. При большей толщине слоя такого грунта, а также если вышележащие слои имеют модуль деформации Е < 10 МПа (100 кгс/см 2), расчет деформаций основания выполняется по расчетной схеме линейно деформируемого полупространства.

Прочностью грунтов называется их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими и др.), поэтому выделяют соответствующие типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях в первую очередь важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т. е. докритических), то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформации пластического течения (для пластичных грунтов).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами - кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, среди которых преобладают прочные химические (кристаллизационные и цементационные) структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями.

Поскольку на испытываемый образец грунта могут действовать разные напряжения (нормальные, касательные, объемные или их совокупности), то в качестве меры его прочности могут быть выбраны разные виды критических напряжений или их соотношения, именно такие меры являются параметрами прочности.

К настоящему времени известно более двух десятков условий прочности, разработанных для описания поведения глинистых и песчаных грунтов. Согласно классификации, предложенной W.-F. Chen, все напряженные состояния грунтов можно подразделить на одно- и двупараметрические модели. К однопараметрическим моделям относятся условия прочности Треска, Мизеса, Lade, Duncan. К двупараметрическим моделям относятся условия, предложенные Мором-Кулоном, Drucker-Prager, Р. Lade, М.В. Малышевым и др. После публикации W.-F. Chen прошло много лет (1984 г.), и за это время были предложены условия прочности или модели грунта, которые можно назвать многопараметрическими. В наиболее сложные из них входят до 6 независимых параметров, определяемых из очень сложных и дорогостоящих опытов. Несмотря на многообразие условий прочности, на практике применяются лишь несколько из них. Это в первую очередь условие прочности Мора-Кулона, Кэп-модели и многоповерхностные модели (Prevost, 1977, 1985; Dafalias, 1985). Последние две фуппы моделей грунта более сложные и не позволяют получать решения в аналитическом виде, поэтому они используются в нелинейной механике и численном решении задач .

При оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния, согласно которой определяют те или иные параметры критических (предельных) значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Пределами прочности называются такие пределы, при превышении которых происходит разрушение грунта и он не воспринимает прикладываемых к нему усилий. Критические значения па- раметров соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в которых он может находиться и которые могут харакгеризоваться величинами главных напряжений σ1, σ2 и σ3 , причем σ1, σ2 и σ3 в качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются (рис. 8.27):

• плоскостной сдвиг (σ1 > 0, г > 0, рис. 8.27, а);
• одноосное растяжение σ1 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, б);
• одноосное сжатие (когда σ1 > 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, в)
• трехосное сжатие (σ2 = σ3 ≠ σ1> 0, рис. 8.27 (г, д , е).

Рис. 8.27. Схемы опытов: па сдвиг (а): на одноосное растяжение (б); на одноосное сжатие (в): на трехостное сжатие: на определение недренированной прочности грунтов (г): дренированной прочности песчаных (д) и глинистых (е) грунтов

Прочностные характеристики дисперсных грунтов (угол внутреннего трения <р и удельное сцепление с) могут быть получены путем испытания грунтов лабораторными методами: на срез или трехосное сжатие, растяжение, но углу естественного откоса, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. Параметры прочностных свойств и лабораторные методы их определения, регламентируемые действующими нормативными документами, приведены в табл. 8.30.

Для водонасыщенных глинистых грунтов с показателем текучести //,>0,5, органоминеральных и органических грунтов, для которых подготовка целиков для полевых испытаний или отбор образцов для лабораторных испытаний затруднительны, прочностные характеристики (с„) для расчета оснований из этих грунтов в нестабилизированном состоянии могут быть определены полевым методом вращательного среза в скважинах или массиве.

Значения (рис песков и глинистых грунтов для сооружений II и III уровней ответственности могут быть определены полевыми методами поступательного и кольцевого среза в скважинах. При этом для сооружений 11 уровня ответственности полученные значения <р и с должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах.

Значения (р и с песков и глинистых грунтов могут быть определены методом статического зондирования . а песков (кроме пылеватых водонасыщенных) - методом динамического зондирования. Для сооружений I и II уровней ответственности полученные зондированием значения (рис должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. В остальных случаях допускается определять значения (рис только по данным зондирования [ 114).

Испытания вращательным срезом крыльчаткой следует проводить для оценки максимальных значений сопротивления сдвигу с и органо-минеральных и органических грунтов и глинистых грунтов мягкопластичной, текучей консистенции в недренированных условиях. Методику испытаний и интерпретацию полученных результатов следует выполнять в соответствии с ГОСТ 20276-99 (или ASTM D2573, NEN 5106 при выполнении изысканий совместно с иностранными инвесторами или по их техническому заданию).

Определение прочностных характеристик грунтов в лабораторных условиях следует производить методом трехосного сжатия (ГОСТ 12248), а их результаты использовать для корректировки данных испытаний одноплоскостного среза . Другие виды напряженных состояний могут быть реализованы в приборах прямого и кольцевого сдвига (рис. 8.28, я), в установках с перекашиванием образца (рис. 8.28, б), при помощи лабораторных сдвигомеров-крыльчаток (рис. 8.28, в) и при испытаниях сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 8.28, г, д). Образцы грунта могут иметь форму: куба, параллелепипеда, сплошного или полого цилиндра, сплошной или полой катушки.

Таблица 8.30

Методы определения прочностных характеристик немерзлых грунтов

Окончание табл. 8.30

Рис. 8.28. Схемы и фотографии приборов:

а - кольцевого сдвига: б - прямого сдвига с перекашиванием образца; в - лабораторный вариант крыльчатки и полевой тестер-крыльчатка; г, д - схемы испытаний сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (81. 92]

Приборы кольцевого сдвига применяются для определения прочности грунтов как при малых, так и при больших сдвиговых деформациях (в сотни процентов). У большинства грунтов наблюдается уменьшение прочности с ростом деформации сдвига после достижения пикового состояния. Этот процесс можно зафиксировать в приборе кольцевого сдвига, а также с помощью прибора прямого среза при кинематическом нагружении образца. В приборе кольцевого сдвига (рис. 8.29), кроме значений максимального и предельного угла внутреннего трения, замеряется параметр остаточной прочности (р г, применяемый при расчетах устойчивости склонов, откосов котлованов, подпорных стен и при моделировании оползневых процессов или движения грунтов в зоне сброса по уже сформировавшейся плоскости скольжения. Главное преимущество испытаний на кольцевой сдвиг заключается в деформации сдвига с постоянной площадью образца в течение всего опыта, а также возможность выполнять испытания грунтов при деформации сдвига более 10...30 %, чего не позволяют приборы прямого среза или простого сдвига. Кроме того, в условиях кольцевого среза не меняется ориентация частиц в послепиковом состоянии, что характеризуется почти нулевым сцеплением и минимальным трением.

При испытаниях в приборе кольцевого сдвига грунт находится в двух кольцах (верхнее или нижнее), одно из которых вращается, а другое (верхнее или нижнее) лежит неподвижно. Опыт проводится при постоянном нормальном давлении, которое определяется по зависимости:

где Р - нагрузка от веса грузов, штампа и штанги; г 0 и г, - соответственно внутренний и наружный радиусы кольцевого штампа.

Касательное напряжение рассчитывается по величине крутящего момента М

Рис. 8.29. Срезные приборы, определяющие прямые и остаточные напряжения: а - схемы опыта с кольцевыми приборами; о - схема кольцевого прибора; в - фотография прибора кольцевого сдвига (производитель Wykeham Farrance)

Метод кольцевого сдвига дает возможность воссоздавать в лаборатории условия, аналогичные естественным, и получать очень точные значения остаточного сопротивления, которые зависят не только от величины нормального давления в плоскости сдвига, но и от скорости сдвига. Обычно при смещении склонов наблюдается скорость движения грунтовых масс от 5 см/год до 50 см/сут.

Устройства простого сдвига с перекашиванием образца (рис. 8.28, б) позволяют моделировать различные условия действия сдвигающих нагрузок. Результаты применяются при расчете устойчивости подводных склонов континентальных шельфов, характеризуемых слоистым залеганием глинистых грунтов; при прогнозе поведения грунтов под фундаментом морских платформ или рядом с боковой поверхностью свай. Установка предназначена для уплотнения образца дренирования и затем сдвига. Деформация сдвига вызывается горизонтальным смещением нижней части образца относительно верхней, кольца скользят друг по другу и при этом диаметр образца остается постоянным, поэтому любые изменения объема являются результатом вертикального движения верхнего прижимного устройства. На этапе сдвига во время испытания вертикальная высота образца поддерживается постоянной с помощью вертикального привода, соединенного обратной связью с датчиком смешения. Образцы грунта могут быть в форме цилиндра, прямоугольника или куба.

Преимущества данного прибора заключается в том, что если в условиях прямого среза разрушение образца грунта происходит вдоль заранее фиксированной горизонтальной плоскости, то в условиях простого сдвига разрушение будет проходить вдоль серии горизонтальных (или вертикальных) плоскостей сдвига по ослабленным участкам грунта с наименьшим сопротивлением. В отличие от испытаний на прямой срез (когда практически невозможно выдержать недренированные условия), при опытах в приборах прямого сдвига образец находится в резиновой оболочке, что позволяет проводить дренированные и недренированные испытания, сохраняя объем грунта, а также измерять поровое давление. Испытания в условиях простого сдвига позволяют определить не только параметры прочности, но и модуль сдвига G.

Испытания на прямой одноплоскостной или кольцевой сдвиг проводятся в основном для таких условий устойчивости грунтов, когда возникают явные плоскости разрыва или когда прочностные характеристики определяются на поверхности контакта іруит- фундамент. Результаты этих испытаний хорошо совпадают. Напряжения в условиях кольцевого сдвига более однородны, при этом испытании легче получить большие деформации сдвига и определить остаточную прочность грунта, чем в приборе прямого сдвига. Подготовка образца для испытаний в условиях прямого сдвига менее трудоемка по сравнению с кольцевым сдвигом.

Сравнение результатов испытаний в условиях простого сдвига с результатами испытаний в условиях трехосного сжатия или прямого среза свидетельствует о том, что в условиях простого сдвига максимальная прочность получается ниже, а разница в значениях остаточной прочности менее существенна. Учитывая эти различия, рекомендуется принимать значения пиковой прочности при срезе с понижающими коэффициентами 0,77-0,85 .

Для полевых исследований прочности слабых грунтов (торфов, илов, текучих и текучепластичных глинистых грунтов) применяется сдвигомер-крыльчатка. Аналогичный миниприбор используется и в лабораторных условиях. Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно перпендикулярные пластинки, насаженные на вертикальную ось (рис. 8.28, в ), к которой прикладывается крутящий момент и измеряется его предельная величина, используемая для расчета сопротивления недренированному сдвигу с и.

В установках, действующих по схемам торсионного сдвига (рис. 8.28, г) и кручения пустотелого цилиндра (рис. 8.28, <)), образцы фиксируются в основании, и вращение производится вокруг вертикальной оси в верхней части образца. Изначально для этих схем испытаний применялись стабилометры кручения, в 1957 г. W. Kirpatric предложил использовать полые цилиндры грунта, что позволило приводить во вращение верхний нагрузочный штамп, а также создавать давление внутри и с внешней стороны образца. За рубежом приборы для испытаний получили название НСА (Hollow Cylinder Apparatys). При испытании полых цилиндрических образцов (рис. 8.30, в) моделируется истинное трехосное сжатие с вращением направлений осей главных напряжений (рис. 8.30, а). В результате создается широкий диапазон возможных вариантов сложного напряженного состояния в образце грунта, что особенно важно для грунтов анизотропных: можно изменять вертикальное (

Рис. 8.30. Испытания полых цилиндрических образцов: а - максимальные и минимальные напряжения в грунтах основания: б - прибор НСА (производитель Wykeham Farrance); в устройства для подготовки образцов; г - образец грунта перед установкой в камеру трехосного сжатия

Как уже отмечалось, при проведении испытаний грунтов необходимо выбрать условия, которые наиболее полно соответствуют реальным условиям работы грунта в основании будущего сооружения. К основным внешним факторам, влияющим на прочность грунтов, относятся: вид напряженного состояния, условия проведения испытаний (закрытая или открытая система, влияние порового давления и т. п.), скорость нагружения, характер нагружения образца (статическое или динамическое) и др.

Влияние вида напряженного состояния в условиях чистого сдвига, одноосного растяжения и сжатия, а также трехосного сжатия (схемы опытов приведены на рис. 8.27) на прочность грунтов можно проанализировать с помощью кругов Мора паспорта прочности грунта (рис. 8.31). Паспортом прочности грунта является кривая, огибающая предельные круги напряжений Мора в координатах нормальных и касательных напряжений. Предельный круг Мора соответствует предельному напряженному состоянию, достигаемому

при данном соотношении наибольшего и наименьшего главных нормальных напряжений, и имеет радиус R = /2с координатами центра ( / 2; 0). Для построения паспорта прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении по совокупности парных значений o c v = ffmax и оъ = <7 П ип (полученных при объемном сжатии не менее чем при трех различных значениях бокового давления <7з) в координатах строят полуокружности радиусами /2 с координатами центров / 2; 0) К семейству полуокружностей добавляют полуокружности радиусами (т р /2и<т с /2с координатами центров (-я р / 2; 0) и (я с / 2; 0), где <т р - предел прочности при одноосном растяжении; я с - предел прочности при одноосном сжатии.

Рис. 8.31. Паспорт прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении

Из диаграмм (рис. 8.31) следует, что один и гот же грунт, в зависимости от вида напряженного состояния, будет иметь различные величины предельных параметров прочности, наименьшее значение характерно для условий простого одноосного растяжения (разрыва), наибольшее - для условий объемного сжатия.

Характеристики прочности грунтов зависят от скорости нагружения образца , параметры сопротивления скальных и связных грунтов сдвигу (угол внутреннего трения (р и сцепление с) различны для одного и того же грунта, испытываемого в условиях быстрого или медленного сдвига. С уменьшением скорости нагружения (увеличением длительности испытания) величина удельного сцепления закономерно снижается, а угол внутреннего трения возрастает. С целью идентификации вида напряженного состояния, при котором касательные напряжения достигают предела прочности, применяют такие термины, как кратковременная и длительная устойчивость.

Кратковременная устойчивость предполагает возникновение ряда условий в массиве слабых водонасыщенных глинистых грунтов с низкой проницаемостью, как в ходе строительства, так и при эксплуатации сооружения. Эти условия включают быстрые темпы нагружения основания, отсутствие возможности дренирования, возникновение избыточного порового давления. В этом случае прочность глинистых грунтов оценивается в условиях недренироваиного нагружения.

Длительная устойчивость оценивается в условиях возможности дренирования и частичной (или полной) консолидации грунта с рассеиванием порового давления и стабилизацией деформаций. Эти условия возникают мгновенно при строительстве на крупно- обломочных и песчаных грунтах, в глинистых грунтах стабилизация деформаций продолжается более длительное время. При возникновении данных условий прочность грунта оценивается в условиях дренированного нагружения.

В некоторых случаях необходимо определять и кратковременную, и длительную устойчивость основания. Например, в течение строительства насыпи в водонасыщенных грунтах основания дренирование будет практически отсутствовать, а после ее возведения в процессе дренирования и консолидации прочность будет изменяться. В первом случае нужно проводить неконсолидированно-недренированные испытания, во втором - консолидированно-дренированные или консолидированно-недренированные.

К условиям испытаний, влияющим на прочность грунтов, прежде всего относятся закрытая или открытая (недренированная или дренированная) схемы испытании.

Параметры дренированной прочности определяют в установках прямого среза и трехосного сжатия (испытания консолидированно-дренированные). При определении прочности в условиях открытой системы из грунта при нагружении может отжиматься вода. За счет этого возникающее при передаче на грунт нагрузки (о) поровое давление (и) постепенно рассеивается и при медленном нагружении может упасть до нуля. В неполностью водонасыщенных грунтах поровое давление не учитывают. При дренированном нагружении прочность грунтов зависит в значительной степени от того, испытывает ли грунт сжатие или расширение от действия внешней нагрузки. Если грунт расширяется (например, зона перед подпорной стенкой) или сжимается (за подпорной стенкой), то прочность грунта будет различной. Прочность грунтов при расширении меньше прочности при сжатии.

Параметры недренированной прочности с и получают из результатов неконсолидированно-недренированных испытаний в установках прямого среза и трехосного сжатия, которые отражают поведение глинистого грунта с низкой проницаемостью при любой скорости нагружения, даже при очень медленной. Высокая скорость возведения сооружения и отсутствие возможности дренирования не дают грунту консолидироваться и влияют на его прочность. При определении прочности водонасыщенных грунтов в условиях закрытой системы грунт изолирован от внешней среды, он не может впитывать или отдавать воду при нагружении, его влажность остается постоянной. Возникающее при нагружении образца поровое (или нейтральное) давление (и) увеличивается пропорционально приложенной нагрузке (о) вплоть до момента разрушения образца или остается постоянным при данном постоянном напряжении о.

Сопротивление срезу с ы в водонасыщенных органо-минеральных и органических грунтах допускается отождествлять с величиной удельного сцепления с (по методике (р = 0), что позволяет вести расчеты несущей способности и устойчивости оснований и откосов по имеющимся расчетным схемам с использованием стандартных программ. Полевые исследования органо-минеральных и органических грунтов с помощью четырехлопастной крыльчатки в ряде случаев являются единственно возможным способом определения их механических свойств. Недренированная прочность используется как классификационный показатель, например, в стандарте Великобритании BS. В табл. 8.31 приведена классификация грунтов по недренированной прочности.

Наличие или отсутствие норового давления в грунтах имеет немалое значение при исследовании их прочности. В большинстве случаев результаты испытаний обрабатываются с использованием условия прочности Кулона или Мора-Кулона. Прочность грунта по Кулону зависит от нормального давления, которое можно выразить через полные и эффективные напряжения. При определении параметров прочности в полных напряжениях поровое давление не учитывают, полагая, что в условиях полного дренирования оно рассеивается, поэтому испытания на стадии сдвига проводят по открытой схеме, допуская дренирование и нагружение образца ступенями с выдержкой до полной стабилизации деформации сдвига. Если поровое давление измеряется, что возможно только при полном водонасыщении образцов и отсутствии дренирования, то при проведении опытов по схеме неконсолидированно-недренированного или консолидированно-недренированного сдвига можно определить параметры прочности в эффективных напряжениях. Чем больше поровое давление и, тем меньшая часть внешнего давления передается на скелет грунта. Для учета влияния порового давления, согласно К. Терцаги, вводят эффективное давление, тогда уравнение Кулона с учетом норового давления принимает вид:

где о" - эффективное давление; и - поровое давление; с" - удельное сцепление (в терминах эффективных напряжений).

Таблица 8.31

Сдвиговая прочность грунтов в недренированных испытаниях

Разновидность грунтов	Сопротивление недренированному сдвигу с„. кПа
Чрезвычайно низкой прочности
Очень низкой прочности	10 < с„ < 20
Низкой прочности	20 < с и < 40
Средней прочности	40 < с и < 75
Высокой прочности	75 < с и < 150
Очень высокой прочности	150 < с„ < 300
Чрезвычайно высокой прочности	с и > 300

Таким образом, если в расчетах устойчивости склонов или несущей способности оснований учитывается норовое давление, то параметры прочности принимают в эффективных напряжениях; если поровое давление не учитывается, то в полных.

Характер нагружения, также влияющий на параметры прочности грунтов, проявляется в разных способах передачи на грунт внешних напряжений. Они могут быть статическими (при действии постоянных или медленно меняющихся нагрузок) или динамическими (при действии переменных, циклических, периодических, импульсных нагрузок и др.). Особенности и закономерности разрушения одного и того же грунта в статических или динамических условиях различны, поэтому при динамических воздействиях прочность грунтов изучается специальными способами.

Прочность грунта определяет его способность удерживать строение в вертикальном положении. От прочностных характеристик зависит, насколько глубоким должен быть фундамент, насколько высоким может быть строение. Прочность грунтового основания обеспечивает вертикальное положение стен, отсутствие наклонов, трещин, просаживаний и других капитальных разрушений. Как определяются прочностные характеристики для грунтов? Какие приборы и методы используются для исследования качества грунтов перед капитальным строительством?

Как определяют прочность?

Для определения прочности любого материала его подвергают воздействию нагрузки и отслеживают наличие и размер деформаций после нагружения. В зависимости от деформационных свойств, материал может выдерживать определённую нагрузку без изменений размеров и формы или деформироваться под воздействием внешних сил.

Почва или грунт – это материалы, у которых есть определённая прочность и стойкость к деформациям. Плотная почва (глина) хорошо держит нагрузку и не деформируется. Сыпучий грунт (песок) нагрузки не выдерживает, сдвигается и вызывает разрушение стен строения. Кроме того, способность не деформироваться под нагрузкой зависит от состояния грунта (насыщенности водой, промерзания). Какие нагрузки должен выдерживать грунт под фундаментом здания?

Какие нагрузки выдерживает здание

Здание испытывают воздействие вертикальных нагрузок (давление атмосферы, снега, дождя) и горизонтальных нагрузок (давление ветра). Поэтому испытание на лабораторных приборах определяет способность образцов грунта выдерживать вертикальные и горизонтальные нагрузки. В ходе испытаний также определяется критическое значение, при котором образец грунта разрушается (сдвигается, получает значительную деформацию или рассыпается).

Среди прочностных характеристик грунтов наиболее важна стойкость к касательным (сдвигающим) деформациям (горизонтальным нагрузкам).

Лабораторные испытания прочности грунта

Для определения прочностных характеристик грунтов проводят лабораторные испытания грунтовых проб на специальных приборах. Способы и методы исследований определяются ГОСТом 12248-96.

Чаще испытание проводят на приборе, который прилагает усилие сдвига в одной плоскости. Такое исследование называют «методом одноплоскостного среза». Сначала к образцам грунта (не меньше 3-х) прикладывают горизонтальную сдвигающую нагрузку и наращивают её до разрушения образца. После, к трём другим образцам грунта прикладывают вертикальную нагрузку и также наращивают её до разрушения образца.

Медленное наращивание нагрузки увеличивается с шагом 0,1а (где «а» – атмосферное давление). Нагрузку наращивают до тех пор, пока образец не разрушится или пока его деформация (сдвиг) не превысит 5 мм.

Данные исследований заносят в график, где вдоль осей обозначают размер нагрузки (сдвигающего усилия) и величину сдвига. По данному графику определяют внутреннее трение грунта, удельное сопротивление срезу и его удельное сцепление.

Полученные показатели сравнивают с обозначенными допустимыми характеристиками грунтов, указанными в ГОСТе. После выносят рекомендации о возможности строительства здания на данном грунте.

Когда проводят исследование

Исследование прочностных характеристик грунтов проводится в ходе геолого-разведывательных работ перед строительством здания. Особенно это важно для высотных многоэтажных построек, которые имеют значительный вес и должны выдерживать большие ветровые нагрузки.

Забор грунта для испытаний на приборах называют монолитом. Его берут из шурфов – скважин, глубина которых равна глубине фундамента будущего дома. Пробу грунтов берут через каждые 1-2 м вдоль всей глубины шурфа. В качестве образцов для исследований берут пробы с неразрушенной внутренней структурой грунта (без перекапывания, рыхления и др.).

Испытания на приборах проводят на образцах в сухом и водонасыщенном (намокшем) состоянии, а также на предварительно уплотнённых образцах или без их предварительного уплотнения.

Геодезическая разведка. Так выглядит проба грунта

Приборы для определения прочности

Для лабораторных исследований используются следующие приборы:

• Устройство компрессионного сжатия ГТ1.1.4 – измеряет деформируемость, просадочность почвы.
• Установки трёхосного сжатия ГТ0.3.10., ГТ0.3.13., ГТ0.3.14.
• Установки для одноплоскостного среза ГТ0.2.1., ГТ1.2.9.
• Установка предварительного уплотнения образцов ГТ1.2.5. и прибор для уплотнения ГТ1.4.1
• Установки одноосного сжатия ГТ0.5.3., ГТ0.5.4
• Установки сжатия и растяжения для исследования скальных грунтов ГТ0.6.3., ГТ0.6.4.
• Установка одноплоскостного среза для мёрзлого грунта ГТ0.2.2.
• Приспособления для подготовки образцов.

С помощью лабораторных исследований определяют прочностные характеристики грунта.

Прочность грунтов: характеристики

Деформационные свойства почвы измеряются следующими показателями:

• Прочность грунта – способность сопротивляться внешнему воздействию – оценивается пределом прочности на одноосное сжатие (максимальной нагрузкой, которую грунт выдерживает без разрушения). Измеряется в МПа.
• Угол трения – зависит от вида грунта, для песчаников равен 25-45 единиц, для пылеватых глин – от 7 до 30 единиц. Также показателем прочностных характеристик грунта является коэффициент внутреннего трения.
• Удельное сцепление – сопротивление удельных связей внутри грунта перемещению его частиц. Измеряется в кПа или кгс/см 2 .
• Модуль деформации Е (характеристика жёсткости грунта) – коэффициент зависимости деформации от напряжения.

Характеристики прочности грунта могут изменяться в зависимости от времени года, водонасыщения, температуры.

Что влияет на прочность грунта?

Что влияет на деформационные характеристики грунтов:

• Гранулометрический состав грунта (размер его частиц). Чем мельче частицы, тем выше плотность и ниже деформационные свойства.
• Пористость почвы (чем плотнее почва, тем выше её прочностные характеристики и ниже способность деформироваться под нагрузкой).
• Влажность грунта (намокание грунта снижает характеристики прочности).
• Колебания подземных вод (подъём их уровня снижает прочностные свойства грунта).

Работа геодезистов – начало строительства

Определение деформационных свойств грунтов требует профессиональных знаний и геологических расчетов.

Прочностные и деформационные характеристики грунтов обновлено: Февраль 26, 2018 автором: zoomfund

Основными показателями механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований, а также их деформацию, является угол внутреннего трения , удельное сцеплениеС , модуль деформации Е . Для определения механических свойств грунтов можно воспользоваться таблицами приложения 1 СНиП 2.02.01-83*. Для песчаных грунтов нормативные значении сцепления
(кПа), угла внутреннего трения(град.) и модуля деформацииЕ (МПа) (табл.1.2.1) определяют в зависимости от типа грунта и коэффициента пористости. Для пылевато-глинистых грунтов величины
,(табл.1.2.2) иЕ (табл.1.2.3) определяются в зависимости от типа грунта, показателя текучести и коэффициента пористости. Искомое нормативное значение показателя механических свойств грунта определяют, используя для этого в необходимых случаях линейную интерполяцию по коэффициенту пористости. Если значения е, грунтов выходят за пределы, предусмотренные в таблице, характеристики
,иЕ следует определять по данным непосредственных испытаний этих грунтов в полевых или лабораторных условиях. Допускается в запас надежности принимать характеристики
,иЕ по соответствующим нижним пределам е, , если грунты имеют значения величин е, меньше этих величин.

Таблица 1.2.1. – Извлечение из табл.1 прил.1 СНиП 2.02.01-83*. Нормативные значения удельного сцепления с n j n , град. и модуля деформацииЕ , МПа (кгс/см 2), песчаных грунтов четвертичных отложений

Песчаные грунты		Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е , равном
Гравелистые и крупные	c n
	j n
Средней крупности	c n
	j n
	c n
	j n
Пылеватые	c n
	j n

Таблица 1.2.2. – Извлечение из табл.2 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения удельного сцепления с n , кПа (кгс/см 2), угла внутреннего тренияj n , град. пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

		Обозначения характеристик грунтов	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е , равном
	0 £ I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,75	c n j n
Суглинки	0 < I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,5	c n j n
	0,5 < I L £ 0,75	c n j n
	0 < I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,5	c n j n
	0,5 < I L £ 0,75	c n j n

Таблица 1.2.3. Извлечение из табл.3 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых

Происхождение и возраст грунтов

Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести

Модуль деформации грунтов Е , МПа (кг/см 2), при коэффициенте пористости е , равным

Четвертичные отложения

Аллювиальные, Делювиальные, Озерно-аллювиальные

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

Флювиоглянциальные

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

Моренные

Суглинки

I L £ 0,5

Юрские отложения оксфордского яруса

0,25 £I L £ 0

0 < I L £ 0,25

0,25 < I L £ 0,5