Механика грунтов, основания и фундаменты

ПРЕДИСЛОВИЕ
Дисциплина "Механика грунтов, основания и фундаменты" содержит важную информацию, необходимую в строительстве. В то же время известные литературные издания отличаются значительной объемностью и сложностью изложения материала. Последнее существенно затрудняет изучение сущности основных явлений и свойств грунтов, а также овладение принципами проектирования фундаментов.

Это затруднение еще более усугубляется при самостоятельном изучении дисциплины, в том числе при заочной форме обучения.

Целью пособия является помощь в изучении основных положений дисциплины, особенно в условиях ограниченности учебного времени или при заочной форме обучения.

Следуя поставленной цели и известному принципу методологии познания (от простого к сложному), автор стремился, чтобы данное пособие имело сравнительно небольшой объем и не было загромождено многочисленными формулами, схемами, описаниями методов изучения разнообразных свойств грунтов и в то же время раскрывало основные положения дисциплины.

Во избежание громоздкости пособия в нем пришлось опустить ряд более простых и понятных вопросов программы, для самостоятельного изучения которых приведен достаточно репрезентативный список литературы.

Сознавая, что данное учебное пособие не свободно от недостатков, будем признательны за любые замечания и пожелания, направленные на их устранение.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1. Значение дисциплины
Надежность зданий и сооружений зависит от многих факторов, но наиболее важным из них является работа основания и фундамента. Для обеспечения надежности основания и фундамента сооружения требуются весьма существенные затраты. Так, они могут составлять 20 % стоимости сооружений, а при строительстве плотин, шлюзов, мостовых устоев, башен, подпорных стен, резервуаров стоимость устройства основания и фундамента достигает 40...60 %.

Правильность проектирования и устройства основания и фундамента в значительной степени зависит от умения оценивать свойства грунтов в основаниях и их совместную работу с фундаментами и надземными конструкциями, от рациональности выбранных типов оснований и фундаментов и размеров последних, от качества выполнения этих работ.

В практике строительства известно много примеров опасной недооценки значимости знаний об основаниях и фундаментах различных сооружений. Так, плотина высотой более 60 метров, построенная в штате Калифорния, рухнула из-за ошибки в оценке грунтов основания, что привело к гибели более 400 человек и принесло убытки более 11 млн. долларов.

Аналогичная катастрофа унесла около 100 человеческих жизней при разрушении плотины в штате Пенсильвания на реке Аустин.

В Канаде около г. Виннипега в 1912 году при загружении зерном элеватор погрузился в грунт на 8,7 метра с креном около 30^о. В г. Фарго (США) подобная авария привела к полному разрушению элеватора.

Особенно сложные условия строительства часто встречаются в гидротехнике, в том числе в гидромелиорации. Здесь сжимаемая толща грунта может находиться ниже поверхности грунтовой воды, грунты могут проявлять разнообразные свойства. Гидросооружения могут получать большие и неравномерные осадки. Грунты оснований могут набухать, проявлять морозное пучение, внезапно разжижаться. Часто невозможно отрыть котлован под шлюз-регулятор из-за его заплывания.

В сельском строительстве имеются свои особенности проектирования и выполнения работ по фундаментостроению. Так, несимметричность здания и неоднородность грунтов под фундаментами часто приводят к неравномерным осадкам фундаментов и появлению трещин на стенах здания. Замачивание грунта около водонапорной башни вызывает крен башни и выход ее из строя. Строительство высоких водонапорных башен для сельских поселков требует особых фундаментов из-за значительных ветровых нагрузок. Строительство гаражей около жилых зданий часто приводит к боковым нагрузкам на стены подвалов зданий или гаражей, что вызывает выпор грунта из-под более высокого фундамента в сторону подвала.

1.2. Структура дисциплины
Дисциплина "Основания и фундаменты" состоит из двух разделов: "Механика грунтов" и "Основания и фундаменты". В первом разделе рассматриваются физико-механические свойства грунтов, распределение в них напряжений, деформации грунтов в основании сооружений и условия устойчивости массивов грунтов. Первый раздел опирается на знание следующих дисциплин: инженерной геологии, сопротивления материалов, теории упругости, гидравлики. Механика грунтов является необходимой теоретической базой для расчета оснований.

Второй раздел "Основания и фундаменты" освещает вопросы проектировании и устройства фундаментов в различных грунтовых условиях. Этот раздел опирается на следующие дисциплины: инженерную геологию, механику грунтов, строительную механику, строительные конструкции, технологию строительного производства, технику безопасности, экономику. Одновременно надземные конструкции невозможно рационально спроектировать без оценки деформаций грунтов основания, так как от этих деформаций зависят усилия, возникающие в конструкциях, а иногда и их пригодность к эксплуатации.

1.3. Основные понятия
Грунтом называют горные породы и органо-минеральные образования, залегающие в верхних слоях земной коры и используемые в строительстве.

Основанием называют толщу грунтов, непосредственно воспринимающих нагрузку от сооружения. Основание является естественным, если грунты, слагающие его, не нарушены (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид оснований и фундаментов.

Основание называют искусственным, если свойства грунтов искусственно улучшаются, например, путем упрочения или замены.

Фундаментом является нижняя чисть сооружения, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения основанию. Фундамент должен рассматриваться в сочетании с основанием и с вышележащими конструкциями сооружения.

Нижняя опорная поверхность фундамента называется подошвой. Расстояния ее от поверхности земли определяют глубину заложения фундамента. Верхняя граница фундамента называется обрезом фундамента. Фундамент оказывает наиболее существенное влияние в пределах определенной зоны основания, называемой активной зоной.

Осадка фундамента − понижение отметки фундамента в результате проявления различных свойств основания: сжимаемости грунта, его усадки, проявления просадочности и др.

Выпор − перемещение грунта из-под подошвы фундамента к открытой поверхности грунта в результате разрушения основания. Происходит в случаях превышения допустимых нагрузок на грунт.

Устойчивость фундамента − способность фундамента сохранять свое пространственное положение при воздействии на него нагрузок. Устойчивость фундамента может потеряться из-за разрушения грунта под подошвой фундамента, при этом фундамент может сдвинуться, получить крен, опрокинуться.

Устойчивость основания − способность грунта сохранить свою пространственную структуру при нагружении. Устойчивые основания имеют большую прочность − способность противостоять нагрузкам не разрушаясь.
1.4. Виды грунтов
По происхождению грунты делятся на следующие группы:

Магматические, или изверженные.
Осадочные.
Метаморфические.
Искусственные.

Магматические образовались в результате извержения и остывания лавы; осадочные − в результате выветривания магматических и метаморфических пород: метаморфические − в результате химических и физических превращений из магматических и осадочных пород под действием высоких температур и давлений; искусственные − в результате производственной и хозяйственной деятельности людей.

По общей инженерно-геологической классификации пород и грунтов их делят на три класса:

1. Породы с жесткими связями между частицами, или скальные (происхождение − магматическое, осадочное или метаморфическое).

2. Породы и грунты без жестких связей между частицами, или рыхлые (осадочное происхождение).

3. Искусственные грунты с жесткими связями и без жестких связей (результат деятельности человека).

Механика грунтов как наука занимается изучением грунтов без жестких связей между частицами, т.е. рыхлыми.

По условиям формирования рыхлые грунты делятся на:

1. Континентальные отложения:

а) элювиальные (залегающие в месте их первоначального возникновения);

б) делювиальные (залегающие на склонах той возвышенности, где они возникли, и смываемые только атмосферными водами);

в) аллювиальные (переносимые водными потоками на значительные расстояния, образующие мощные толщи);

г) ледниковые − валунные глины и суглинки (морены);

д) эоловые − продукты физического выветривания горных пород и переноса воздушными течениями и вихрями (пески дюн и барханов и лессовые грунты);

е) биогенные образования (торфы разной степени разложения − озерные, болотные, озерно-болотные, озерно-аллювиальные, аллювиально-болотные и др.).

2. Морские отложения: органогенные грунты − ракушечники, дисперсные глины, органо-минеральные образования (илы, заторфованные грунты), пески, галечники.
Глава 2. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ГРУНТА
2.1. Состав грунта
В состав природных грунтов входят три группы элементов:

1. Твердые частицы.

2. Вода в различных видах и состояниях.

3. Газообразные включения.

В зависимости от сочетания составных частей грунта различаются следующие системы элементов:

1. Трехкомпонентная система, состоящая из трех вышеуказанных групп элементов (т.е. твердых частиц и пустот между ними, заполненных воздухом и водой).

2. Двухкомпонентная система "твердые частицы − вода" (т.е. пустоты между частицами заполнены водой).

3. Двухкомпонентная система "твердые частицы − воздух".

Основой всех трех систем является группа твердых частиц.
2.2. Характеристика твердых частиц
Твердые минеральные частицы грунтов представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам минеральных зерен. Система этих минеральных частиц вместе с органическими частицами называется скелетом грунта.

По крупности минеральные частицы классифицируются следующим образом:

1. Валуны (окатанные) и камни (угловатые), имеющие средний размер более 20 см.

2. Булыжник– 10...20 см.

3. Галька (окатанные) и щебень (угловатые) – 4...10 см

4. Гравий (окатанные) и хрящ (угловатые) – 2 мм...4 см.

5. Песчаные частицы – 0,05...2 мм.

6. Пылеватые частицы – 0,001...0,05 мм.

7. Глинистые частицы – менее 0,001 мм.

Минеральные частицы грунтов могут содержать различные минералы. Наиболее часто встречается около 100 минералов. Причем самыми распространенными минералами в грунтах являются: кварц, полевые шпаты, слюды, глинистые минералы.

Минеральные частицы по различному взаимодействуют с водой. Так, частицы из кварца, полевого пшата и других силикатов обладают высокой водопрочностью (т.е. слабой растворимостью). Частицы из других минералов (гипс, доломит, сидерит и др.) слабоустойчивы в воде. Частицы из глинистых минералов являются гидрофильными и при взаимодействии с водой сильно набухают (но сами практически нерастворимы).

2.3. Виды воды в грунте
Установлены следующие виды воды в грунтах [4, 8]:

1. Вода в форме пара.

2. Связанная вода:

а) прочносвязанная (гигроскопическая, адсорбционная);

б) рыхлосвязанная (пленочная).

3. Свободная вода:

а) капиллярная;

б) гравитационная с положительным внутренним давлением;

в) гравитационная с отрицательным внутренним давлением;

г) капиллярно-гравитационная.

4. Вода в твердом состоянии.

5. Кристаллизационная вода и химически связанная.

Вода в форме пара является важным видом воды, так как при незначительной влажности грунта только она может свободно перемещаться в нем. Путем конденсации из этого вида образуются другие виды воды в грунтах. Парообразная вода в грунте находится в динамическом равновесии с другими видами воды.

Связанная вода представляет собой следующее. Молекулы воды являются диполями, а грунтовые частицы в большинстве заряжены отрицательно. Поэтому молекулы воды удерживаются частицей грунта. Первые ряды молекул притягиваются с силой в несколько сот МПа. Эти слои относятся к прочносвязанной воде. Ее плотность в среднем равна 2 г/см³. Удалить ее можно лишь путем подогрева грунта до температуры 150...300 °С. На расстоянии около 0,5 мкм от частицы электромолекулярные силы близки к нулю. Слои воды между указанной границей и прочно связанной водой являются рыхлосвязанной водой (пленочной). Ее плотность близка к обычной свободной воде (1 г/см³). Удалить ее из грунта можно выдавливанием от одного до нескольких МПа.

Свободная вода – вода, находящаяся за пределами действия электромолекулярных сил. Так, капиллярная вода, заполняя мелкие поры в грунте, движется под действием сил поверхностного натяжения капиллярных менисков. Капиллярную воду подразделяют [4] на воду углов пор, капиллярно-подвешенную, капиллярно-подпертую. Первая из них имеет место при частичном заполнении пор грунта, вторая существует в верхней зоне грунтового полупространства, зависая в грунте после впитывания дождевых осадков, третья находится непосредственно над поверхностью свободной гравитационной воды и образует так называемую «капиллярную кайму». Используемое в литературе название «Подпертая» не совсем удачно, т.к. эта вода находится выше поверхности гравитационной воды не из-за ее выталкивания вверх, а из-за подтягивания вогнутыми менисками из зоны гравитационной воды.

Гравитационная вода заполняет пространство между частицами грунта, в котором капиллярные силы не проявляются, т.е. в более крупных порах. Перемещается в грунте под действием гравитационных сил.

Гравитационная вода может быть двух видов: с положительным внутренним давлением и с отрицательным. Первая встречается наиболее часто, например, в водоносных пластах выше глинистых водоупоров. Вторая − в нисходящих потоках в условиях «грунтового сифона» и «капиллярного сброса» [8].

Капиллярно-гравитационная вода перемещается под действием и гравитационных сил и сил поверхностного натяжения. Чаще всего встречается в области над гравитационной грунтовой водой мелиорированных территорий [8].

Вода в твердом состоянии образуется при замерзании жидкой фазы. Кристаллы льда в большинстве случаев играют роль цемента, т.е. скрепляют частицы, но иногда (в глинистых грунтах) замерзание воды может вызвать пучение грунта, а при повторном замерзании – оттаивании – уменьшить прочность грунта.

Кристализационная и химически связанная вода входит в состав кристаллических решеток минералов. Кристаллизационная вода сохраняет свою молекулярную форму Н₂О (например, CаSO₄∙2H₂O), химически связанная – нет (Са(ОН)₂). Удаление кристаллизационной воды изменяет свойства минерала, а удаление химически связанной приводит к распаду минерала.
2.4. Газ в грунте
Газы и пары всегда имеются в поровом пространстве грунта. Содержание газообразных включений зависит от объема пор. Газы находятся в свободном, защемленном и адсорбированном состоянии. Газы в двух последних состояниях оказывают влияние на деформационные свойства грунтов за счет проявления сжимаемости газа. Адсорбированные газы удерживаются на поверхности частиц грунта молекулярными силами. При увлажнении они вытесняются водной пленкой (гигроскопической водой). Защемленные газы образуются при увлажнении грунта одновременно с разных сторон, особенно сверху и снизу. Удалить адсорбированные и защемленные газы трудно. Так, в глинистых грунтах для этого необходимо приложить давление около 200 МПа. Наличие адсорбированных и защемленных газов приводит к многолетней осадке насыпей из глинистых грунтов, деформациям и разрывам насыпей.
2.5. Строение грунта
Строение грунта отражается его структурой и текстурой. Структура грунта – это размер слагающих его частиц, их форма, характер поверхности, количественное соотношение элементов и характер их взаимосвязи. Основными типами структур являются глыбистая, комковатая, ореховая, зернистая, плитчатая, чешуйчатая, призматическая, микроагрессивная, пылевато-микроагрессивная, овальная, игольчатая, трубчатая, плойчатая.

Структурные связи между элементами грунта можно привести к двум основным видам:

1) водно-коллоидные (коагуляционные и конденсационные);

2) кристаллизационные.

Первые обусловливаются электромолекулярными силами между частицами грунта, с одном стороны, и пленками воды и коллоидными оболочками, с другой. Коагуляционные связи образуются при свертывании коллоидов, а конденсационные – при их уплотнении и образовании гелей (студней). Вторые образуются за счет появления новых кристаллических соединений в местах контактов частиц. Первые – вязко-пластичные мягкие обратимые. Вторые – жесткие необратимые (водостойкие и не водостойкие).

В зависимости от наличия связей рыхлые грунты делятся на связные и несвязные (сыпучие).

Tекстуpa грунта – пространственное расположение элементов грунта. Типы текстур: беспорядочная, слоистая, ориентированная.

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ
3.1. Основные свойства грунтов
Основными свойствами грунтов являются плотность, влажность, пористость. Плотность – способность грунта сохранять свою массу в пределах определенного пространства или изменять ее при наличии воздействий. Влажность – способность удерживать определенное количество воды и изменять его при внешних воздействиях. Пористость – способность грунта вмещать в себя рассредоточено по всему объему газы и жидкости.
3.2. Показатели свойств
Показатель свойств (упрощенно, физический показатель) – количественная характеристика, отражающая обладание свойством. Показателями плотности грунта ввиду его сложности являются два показателя: объемная масса грунта и объемная масса твердых частиц (ρ и ρ_s). Объемная масса грунта ρ – это масса единицы объема грунта в естественном состоянии. В природе обычно ρ = 1,3...2,4 г/см³. Объемная масса твердых частиц – это масса частиц в единице объема грунта, мысленно уплотненного до состояния отсутствия пор (ρ_s). Значение ρ_s для минеральных грунтов изменяется незначительно. Так, среднее значение для чистых песков ρ_s ≈ 2,66 г/см³, для супесей ρ_s ≈ 2,70 г/см³, для суглинков ρ_s ≈ 2,71 г/см³, для глин ρ_s ≈ 2,74 г/см³. Для торфов ρ_s ≈ 1.4...2.1 г/см³.

Из показателей объемной массы получают силовые показатели: объемный нес грунта, объемный вес твердых частиц, объемный вес сухого грунта, объемный вес грунта, находящегося во взвешенном состоянии в воде (соответственно у, у_s, у_ск,, у_взв). Пересчет первых трех показателей из массовых производится на основании второго закона Ньютона у = ρg. Четвертый силовой показатель у_взв определяется из значения объемного веса грунта в сухом состоянии за вычетом выталкивающей Архимедовой силы (эта формула будет получена далее).

Свойство влажность количественно характеризуется массовой влажностью W и объемной влажностью G. Первая определяется как отношение массы воды в грунте к массе твердых частиц:

(3.1)

и выражается в относительных единицах или в процентах: вторая – как отношение объема воды в порах ко всему объему пор:

. (3.2)

Объемная влажность называется также степенью водонасыщенности грунта, или коэффициентом водонасыщенности.

Пористость грунта отражается относительным значением объема пор в грунте. При этом используются два показателя: коэффициент пористости п и удельный коэффициент пористости е. Первый выражается как отношение объема пор к общему объему грунта:

, (3.3)

второй – как отношение объема пор к объему скелета грунта:

. (3.4)

К приведенным выше основным свойствам грунтов, изучаемым в настоящей дисциплине, следует прибавить свойство "дисперсность грунта" – способность грунта рассеиваться в воздухе или воде при движении объема грунта. Это свойство количественно выражается более сложным, чем три вышеуказанные, показателем, называемым "гранулометрический состав" и отражающимся векторной величиной – системой чисел, расположенных в определенном порядке.

Гранулометрический состав – количественное содержание фракций различного размера в грунте. Массовое содержание фракций каждого размера выражается в процентах по отношению к общей массе всего грунта. Гранулометрический состав является одним из важнейших показателей, определяющих физические свойства грунта. От него зависят пористость, водопроницаемость, пластичность, усадка и др.

Гранулометрический состав определяется рядом способов. Наиболее распространенным из них является ситовый. Применяют также способ отмучивания (для песчаных и супесчаных грунтов), пипеточный (для глинистых грунтов), ареометрический (для фракций менее 0,25 мм, более крупные – ситовым способом), полевой способ Рутковского (для выделения глинистой, пылеватой, песчаной фракций).

Ситовый анализ проводят путем просеивания воздушно-сухого грунта на ситах с размером отверстий: 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,10 мм.

При анализе глинистых грунтов фракции грунта разделяют по скорости падения частиц, взвешенных в спокойной жидкости. Скорость v падения зависит от размера частицы. Размер частиц определяется но формуле Стокса:

, см/с, (3.5)

где r – радиус частиц, см:

ρ_в – объемная масса воды, г/см³;

η – коэффициент вязкости воды, г/см∙с;

g – ускорение свободного падения, см/с².

В результате гранулометрического анализа получают таблицу (матрица – строка, матрица – столбец), в которой отражено массовое или процентное содержание различных no размеру фракций. Для наглядности гранулометрический состав изображают графически рядом способов: кривой гранулометрического состава, циклограммой, диаграммой – треугольником. Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Так, кривая состава наглядна, но требует значительного времени для отражения очередного анализа. Циклограмма, представляющая собой круг, разбитый на сектора, еще более наглядна, но требует еще больше времени и места для отражения результатов анализа. Способ треугольника очень экономичен по времени, но имеет пониженную точность. Указанные способы подробно изучаются при проведении лабораторных работ.

Приведенные выше и другие показатели используются для расчетов при проектировании сооружений. В связи с этим показатели грунтов делят на классификационные и расчетные. Классификационные показатели позволяют относить грунт к определенным подразделениям. Основными классификационными показателями являются гранулометрический состав, коэффициент пористости, объемная влажность и др. Расчетными показателями являются объемная масса грунта, объемная масса твердых частиц и др. Основная часть расчетных показателей рассматривается далее при выполнении различных расчетов.

Используя различные классификационные показатели, выполняют классификации грунтов. Классификации различают общие, частые, региональные, отраслевые.

Общие, классификации охватывают все наиболее распространенные типы грунтов. Общие классификации строятся на генетической основе с учетом последующих изменений. Эти классификации являются основой, на которой строятся все остальные классификации. Общая классификация грунтов приведена в [4].

Частные классификации подразделяют и детально рассматривают отдельные группы грунтов по одному или нескольким признакам. К ним относятся классификации осадочных обломочно-песчано-глинистых грунтов по гранулометрическому составу, глинистых по числу пластичности, лессовых по степени просадочности и т. п.

Региональные классификации рассматривают грунты определенной территории. В основе их лежит генетическое и возрастное подразделение грунтов, отраженное в общей классификации [7].

Отраслевые классификации подразделяют грунты к зависимости от определенного вида строительства: гидротехнического, дорожного или при использовании грунтов как оснований сооружений и т. д. Отраслевая классификация для оснований сооружений приведена в [9].

Отраслевая классификация представляет ряд частных классификаций грунтов. Так, грунты делятся на две группы: скальные, нескальные. Скальные грунты – это породы с жесткими связями между частицами (спаянные и сцементированные). Нескальные – это породы без жестких связей. Они подразделяются на:

крупнообломочные, содержащие более 50 % по массе обломков пород размером более 2 мм;
песчаные – сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50 % по массе частиц размером более 2 мм и не обладающие свойством пластичности;

3) глинистые – связанные грунты с мягкими связями.

Крупнообломочные и песчаные грунты по гранулометрическому составу подразделяются наследующие виды:

валунный грунт – масса частиц размером более 200 мм больше 50 %;

галечниковый (щебенистый) – более 10 мм больше 50 %;

гравийный (дресвяной) – более 2 мм больше 50 %;

песок гравелистый – более 2 мм больше 25 %;

песок крупный – более 0,5 мм больше 50 %;

песок средней крупности – более 0,25 мм больше 50 %;

песок мелкий – более 0,1 мм больше или равно 75 %;

песок пылеватый – более 0,1 мм меньше 75 %.

Крупнообломочные и песчаные грунты по степени влажности подразделяются на:

маловлажные – 0 < G ≤ 0,5;

влажные – 0.5 < G ≤ 0,8;

насыщенные – 0,8 < G ≤ 1,0.

3.3. Расчетные формулы для определения показателей
Представим условно образец грунта в виде куба. При этом компоненты грунта условно отделим друг от друга. Объем образца примем равным единице. Тогда

Возьмем отношение ρ_ск/ ρ_s. Преобразуем его:

Тогда

т.е.

. (3.6)

Коэффициент пористости

или

. (3.7)

Через коэффициент пористости можно получить величину п. Из

имеем

п = е(1 - п) = е - еп;

п + еп = е;

п(1+е) = е;

откуда

. (3.8)

Для определения п и е по выше полученным формулам необходимо определить ρ_ск. Но при высушивании грунта (особенно глинистого) может измениться его объем, а значит, и объемная масса его скелета ρ_ск. Поэтому формулы (3.6) и (3.7), не всегда удобные для практического применения, преобразуют к виду, не содержащему ρ_ск.

Выполним преобразование формулы (3.7). Имеем

и .

Найдем из W выражение ρ_ск, которое равно m_s/V, и подставим его в формулу (3.7):