Файл: Учебнометодическое пособие для студентов всех форм обучения, обучающихся по программе бакалавриата по направлению подготовки Строительство и по специальности.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина МЕХАНИКА ГРУНТОВ
Учебно-методическое пособие для студентов всех форм обучения, обучающихся по программе бакалавриата по направлению подготовки Строительство и по специальности
08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений Екатеринбург Издательство Уральского университета
2018

2
Учебно-методическое пособие МЕХАНИКА ГРУНТОВ подготовлено кафедрой Строительных конструкций и механики грунтов, предназначено для студентов, изучающих дисциплину Механика грунтов по направлению 08.03.01 Строительство в соответствии с ОП Строительство зданий и сооружений, Производство и оборудование строительных материалов, изделий и конструкций и для студентов специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, и рекомендовано к изданию учебно-методическим советом Института Строительства и Архитектуры 24.01.2018 г. протокол №1. Составители Н. Ф. Пыхтеева, В. В. Букша, В. И. Миронова. Научный редактор кандидат технических наук, доцент Л. Н. Аверьянова Рецензент кандидат экономических наук, доцент В. В. Шихирин

3 ПРЕДИСЛОВИЕ Под воздействием внешних нагрузок, создаваемых зданиями и сооружениями, а также от собственного веса грунта в грунтовых массивах, служащих основанием, возникает напряженно- деформированное состояние, которое в значительной мере зависит от состава и физико-механических свойств грунта. Механика грунтов – дисциплина, изучающая грунты как материалы природного происхождения, а также их взаимодействие созданиями и сооружениями. Механика грунтов является теоретической основой для боле сложной строительной дисциплины – Основания и фундаменты, имеющей прикладное значение. При изучении механики грунтов студенты должны не только освоить теоретические основы курса, но и понять физический смыл процессов и явлений, происходящих в грунтах. Успешное освоение основ дисциплины, овладение приемами и методами оценки напряженно-деформированного состояния и устойчивости массивов грунта при проектировании фундаментов и подземных сооружений, расчетах откосов и подпорных стен невозможно без решения задач. В учебно-методическом пособии студентам предлагается определенный набор основных типовых расчетов для самостоятельной работы при подготовке к зачету, а также для выполнения расчетно-графических работ. Каждый раздел содержит несколько задач, наиболее типичные из которых снабжены подробными решениями, для остальных задач даны задания и ответы Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с рабочей программой дисциплины Механика грунтов для студентов всех форм обучения, обучающихся по программе бакалавриата по направлению подготовки 08.03.01 Строительство и по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений Данная работа поможет студентам закрепить и углубить знания, полученные при прохождении курса, научиться самостоятельно решать важнейшие практические задачи.

5
1. ПРИРОДА, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ
1.1. Основные физические характеристики грунтов Прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация зданий и сооружений определятся не только конструктивными особенностями сооружения, но и свойствами грунтов, на которых они возводятся. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения [1 с. Оценка каждой конкретной разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик с. Разнообразие состава, строения и состояния грунтов делает неизбежным введение значительного числа таких характеристик. Некоторые из них непосредственно применяются в расчетах оснований, другие – для классификации грунтов. Количественные показатели одних характеристик всегда определяются из опытов, чаще всего с образцами грунта, другие – с помощью расчетов с использованием значений характеристик, полученных опытным путем. Соответствие полученных таким образом характеристик состоянию грунта, залегающего в основании, является одним из важнейших условий точности инженерных прогнозов, поэтому чтобы полностью сохранить состояние грунта в естественных условиях залегания, правила отбора упаковки и транспортировки образцов грунта, а также методики определения их физических характеристик регламентируются ГОСТ [2,3].
;
3 2
1
m
m
m
M



3 Плотность грунтам т,см г 3
V
M


(1) Для определения плотности грунта обычно используются два способа режущего кольца, когда в кольцо отбирается известный объем грунта парафинирования образца неправильной формы, объем которого определяется по объему вытесненной воды. Массу образцов определяют путем их взвешивания. Плотность твердых частиц
1 1
V
m
S


(2) Плотность частиц определяется пикнометрическим методом. пор
V
Рис. 1. Схема для расчета физических характеристик грунта

7 Влажность грунта
,
100 1
2


m
m
w
% или дед) Определяется взвешиванием образца в естественном состоянии и после высушивания при температуре С до постоянной массы. Плотность сухого грунта
1 1
w
V
m
d





(4) Удельный вес грунта
2 см м кН
,





g
g
(5)
Удельный вес твердых частиц
g
S
S




(6) Удельный вес сухого грунта
g
d
d




(7) Пористость грунта пор % или дед
(8) Относительное содержание в грунте твердых частиц
;
1
V
V
m

% или дед) Коэффициент пористости пор дед) Влагоемкость грунта – влажность соответствующая полному водонасыщению грунта, те. когда все поры заполнены водой.
,
S
w
sat
e
w




(13) где
w

– плотность воды,
3
г/см
1


w
Коэффициент водонасыщения:
sat
r
w
w
S

(14) Число пластичности грунта
p
L
p
w
w
I


(15) где
L
w – влажность на границе текучести, при которой стандартный конус погружается в грунт на 10 мм за 5 с (верхний предел пластичности, %, (рис Рис. 2. Граница раскатывания w
p

9 Рис. 3. Граница текучести w
L
Балансирный конус А.М. Васильева
p
w – влажность на границе раскатывания, при которой грунт раскатывается на жгуты мм, длиной 3–10 мм (нижний предел пластичности, %, (рис. По консистенции различают три состояния глинистого грунта твердое, пластичное и текучее. Границами между этими состояниями как рази являются влажность на границе раскатывания (нижний предел пластичности)
p
w
и влажность на границе текучести (верхний предел пластичности)
L
w . Показатель текучести
p
L
L
L
w
w
w
w
I



(16)

10
1.2. Классификация грунтов Классификация грунтов осуществляется в соответствии с ГОСТ 25100-2011 «Грунты.Классификация» [4], которая построена по принципу Класс (подкласс) – по структурным связям. Тип (подтип) – по происхождению. Вид (подвид) – по вещественному составу. Разновидности – по составу, свойствами структуре грунтов.
1.2.1. Основные классы грунтов Скальные – это грунты с жесткими (кристаллизационными и цементационными) связями. Дисперсные – это грунты с физико-химическими (водо- коллоидными, физическими и механическими структурными связями. Мерзлые – это грунты с криогенными структурными связями. Классификация грунтов по происхождению
- Магматические – горные породы, которые образуются при медленном остывании магмы в верхних слоях земной коры, а также при быстром остывании магмы на поверхности земли.
- Метаморфические – горные породы, которые образуются в недрах земли из горных пород путем их перекристаллизации

11 под воздействием высокого давления, высоких температур, раскаленных газов и горячих водных растворов.
- Осадочные – горные породы, которые образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных горных пород.
- Вулканогенно-осадочные – горные породы, которые образуются из продуктов дробления застывающей лавы при ее движении и при осаждении пирокластической массы (пепла, шлаков и др.
- Элювиальные – горные породы, которые образуются в результате выветривания и представлены не перемещенными продуктами разрушения.
- Техногенные – горные породы, которые изменены, перемещены или образованы в результате инженерно-хозяйственной деятельности человека.
1.2.3. Классификация крупнообломочных грунтов По гранулометрическому составу Таблица Разновидности грунтов Размер частиц, d, мм Содержание частиц Крупнообломочные Валунный (глыбовый) Галечниковый (щебенистый) Гравийный (дресвяный)
> 200
> 10
> 2
> 50
> 50
> 50 По коэффициенту водонасыщения:

12

0< S
r
≤ 0,5 – малой степени влажности (маловлажные);

0,5 < S
r
≤ 0,8 – средней степени влажности (влажные

0,8 < S
r
≤1,0 – насыщения водой.
1.2.4. Классификация песчаных грунтов Песок – несвязный грунт с числом пластичности I
p
< 1 %. По гранулометрическому составу Таблица Разновидности грунтов Размер частиц,
d, мм
% содержание частиц Пески
Гравелистый Крупный Средней крупности Мелкий
Пылеватый
> 2
> 0,5
> 0,25
> 0,10
> 0,10
> 25
> 50
> 50
≥75
< 75 Наименование грунта определяется по принципу сверху вниз по первому удовлетворяющему требованию. По коэффициенту водонасыщения: (аналогично крупнообломочным. По степени неоднородности С > 3 – неоднородный С ≤ 3 – однородный.

13
1.2.5. Классификация глинистых грунтов Глинистый грунт – связный грунт, состоящий в основном из пылеватых и глинистых частиц, с числом пластичности грунта
I
p
≥ 1 %. По числу пластичности

1 ≤ I
p
< 7 – супесь

7 ≤ I
p
< 17 – суглинок

I
p
≥ 17 – глина. По показателю текучести (для супесей):

I
L
< 0 – твердые

0 ≤ I
L
≤ 1 – пластичные

I
L
> 1 – текучие. По показателю текучести (для суглинков

I
L
< 0 – твердые

0 ≤ I
L
≤ 0,25 – полутвердые;

0,25 < I
L
≤ 0,5 – тугопластичные;

0,5 < I
L
≤ 0,75 – мягкопластичные;

0,75 < I
L
≤ 1 – текучепластичные;

I
L
> 1 – текучие.

14
1.3. Решение задач При помощи режущего кольца, имеющего массу Мг и объем V = 160 см, был отобран образец суглинка. Масса кольца с образцом составила 463 га после высушивания – 419 г. Зная, что плотность частиц суглинка ρ
s
= 2,71 г/см
3
, рассчитать плотность грунта ρ, влажность w, плотность сухого грунта ρ
d
, пористость n, коэффициент пористости e и степень влажности S
r
[5]. Решение Используя формулы (1), (2) и (3) и обозначения M – масса образца грунта и V – объем образца грунта, вычисляем плотность грунта г/см
98
,
1 160 147 влажность
%.
2
,
16 100 147 419 419 463 100 плотность сухого грунта г/см
7
,
1 160 147 419
ρ
3 Расчетные характеристики ρ
d
, e, n, S
r
можно определить также непосредственно по формулам (4), (12), (8), (14):
;
г/см
7
,
1 162
,
0 1
98
,
1 100 1
ρ
3






w
d
%;
3
,
37 100 71
,
2 7
,
1 1
100 1





















s
d
n

15
;
595
,
0 3
,
37 100 3
,
37 100





n
n
e
74
,
0 1
595
,
0 100 71
,
2 2
,
16 100








w
s
r
e
w
S
2. Плотность песка в сухом состоянии ρ
d
= 1,56 г/см
3
, а плотность частиц ρ
s
= 2,66 г/см
3
. Определить плотность песка и его влажность в водонасыщенном состоянии (полную влагоемкость грунта. Решение По формуле (13) где ρ
w
– плотность воды – 1 г/см
3
;
%
100 1











s
d
n
,
%.
35
,
41
%
100 66
,
2 56
,
1 Определим коэффициент пористости e:
,
705
,
0 35
,
41 100 35
,
41 100





n
n
e
%.
50
,
26
%
100 66
,
2 Используя формулу для определения плотности сухого грунта (4), найдем плотность песка г/см
97
,
1
)
265
,
0 1
(
56
,
1
)
1
(
ρ
;
1
ρ
3










w
w
d
d

16
3. Суглинок имеет в природном залегании плотность т/м
3
при влажности w
1
= 10 %. В насыпь суглинок должен укладываться с влажностью w
2
= 15 %. Какое количество воды потребуется добавить на каждый кубометр грунта, чтобы увеличить его влажность с 10 до 15 %. Решение Плотность сухого грунта при разных влажностях можно выразить как
,
1 1
ρ
2 2
1 1
w
w
d






т/м
882
,
1 10
,
0 1
)
15
,
0 1
(
8
,
1 1
)
1
(
ρ
3 1
2 Сравниваем плотности грунта ρ
1
и ρ
2
. Разность покажет нам массу воды, которую необходимо добавить нам грунта для достижения требуемой влажности.
Δρ = 1,882 – 1,8 = 0,082 т/м
3
или 82 л/м
3
4. Плотность грунта при влажности w
1
= 6 % равна ρ
1
= 1,7 г/см
3
. Определить плотность того же грунта ρ
2
при влажности
w
2
= 25 Ответ г/см
3
5. Для образца грунта общим объемом 100 см, имеющего плотность частиц ρ = 2,70 г/см
3
, массу дои после высушивания соответственно 180 г и 150 г, вычислить удельный веси коэффициент пористости e.

17 Ответ кН/м
3
, e = 0,80.
6. По ГОСТ 25100-2011 определить тип и разновидность глинистого грунта, имеющего природную влажность w = 0,20, влажность на границе текучести w
L
= 0,28 и влажность на границе раскатывания w
P
= Ответ суглинок полутвердый.
7. По ГОСТ 25100-2011 определить вид и разновидность крупного песка, имеющего коэффициент пористости e = 0,50 и степень влажности S
r
= Ответ песок плотный средней степени водонасыщения.
8. Определить наименование грунта по результатам ситового анализа, приведенным в табл. 3. Общая масса образца составляет г.
Р е ш е ни е:
Рассчитываем процентное содержание частиц в грунте A см. табл. 3), используя формулу
A = (a
i
/ m) ∙ 100 %.
(17) Сумма значений A по отдельным фракциям должна составлять Для установления наименования грунта последовательно суммируем проценты содержания частиц исследуемого грунта сначала крупнее 10 мм, затем крупнее 2 мм, далее крупнее 0,5 мм и т.д. – и заносим в табл. 4. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему требованию в порядке расположения наименований в таблицах ГОСТ 25100-2011 Таблица Размер отверстий, мм
Индекс
Масса остатка на ситах
a, г
Фракции, мм
Содержание частиц формула, %
10
a
10 10,2
> 10
(a
10
/ m) 100 2,04 5
a
5 36,5 10 – 5
(a
5
/ m) 100 7,30 2
a
2 50,8 5 – 2
(a
2
/ m) 100 10,16 1
a
1 89,6 2 – 1
(a
1
/ m) 100 17,92 0,5
a
0,5 66,3 1 – 0,5
(a
0,5
/ m) 100 13,26 0,25
a
0,25 107,5 0,5 – 0,25
(a
0,25
/ m) 100 21,50 0,1
a
0,1 128,2 0,25 – 0,1
(a
0,1
/ m) 100 25,64
a < 0,1 10,9
< 0,1
(a
< 0,1
/ m) 100 2,18
∑a = 500 г =
= 100 Таблица Процент содержания частиц размером
Наименование грунта крупнее
10 мм крупнее
2 мм крупнее
0,5 мм крупнее
0,25 мм крупнее
0,1 мм 19,5 50,68 72,18 Песок крупный
Суммарное содержание частиц крупнее 2 мм составляет
19,5 %, те. менее 50 %, следовательно, исследуемый грунт не крупнообломочный, а песчаный.
Устанавливаем тип песчаного грунта по [4] (табл. Б. 2.2), рассматривая показатели сверху вниз. Суммарное содержание частиц крупнее 2 мм составляет 19,5 %, те, значит, песок не гравелистый. Спускаемся на строчку ниже. Суммарное