Механика грунтов основания фундаменты курсовой

Механика грунтов

Состав, строение и состояние грунтов, их происхождение. Форма, размеры и взаимное расположение частиц и структурные связи между ними. Основные физические и механические характеристики грунтов, специфика их классификации. Геологическое строение оснований.

Рубрика	Строительство и архитектура
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	21.10.2014
Размер файла	31,7 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Состав, строение и состояние грунтов

1.1 Грунтовые основания. Происхождение грунтов

1.2 Состав грунтов

1.3 Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте

1.4 Структурные связи между частицами грунта

2. Физические характеристики, классификация грунтов, строение оснований

2.1 Основные физические характеристики грунтов

2.2 Классификация грунтов

2.3 О связи физических и механических характеристик грунтов

2.4 Геологическое строение оснований

Список используемой литературы

Механика грунтов, основания и фундаменты вместе с инженерной геологией и охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом его изучения являются материалы, как правило, природного происхождения — грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конструкционные материалы приготавливаются технологами так, чтобы они обладали заданными строительными свойствами, то грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.

Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения.

Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.

Поэтому цель настоящего курса — научить выбирать правильное обоснование и соответственно, принимать оптимальные решения по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в различных инженерно-геологических условиях.

Механика грунтов изучает физические и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки устойчивости грунтовых массивов, давления грунта на сооружения. Основное внимание здесь уделено методам решения задач, наиболее часто встречающихся в практике промышленного и гражданского строительства.

Механика грунтов, основания и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологией, изучающей верхнюю часть земной коры как среду инженерной деятельности человека. Для понимания механики грунтов необходимо знать дисциплины механико-математического цикла: сопротивление материалов, теорию упругости, пластичности и ползучести, строительную механику, владеть методами математического анализа. Проектирование оснований и фундаментов требует также знания строительных конструкций, технологии строительного производства. Техники безопасности, экономики и организации строительства. Развитие автоматизированного проектирования фундаментов связано с умением специалистов работать с современными ЭВМ, прежде всего с персональными компьютерами. грунт механический геологический

1. Состав, строение и состояние грунтов

1.1 Грунтовые основания. Происхождение грунтов

Всякое сооружение покоится на грунтовом основании. В зависимости от геологического строения участка застройки строение основания даже расположенных вблизи сооружений может быть различным. Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, которые определенным образом сочетаются в пространстве. В частном случае основание может состоять из грунта одного типа.

Сооружение и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения. Поэтому инженер-строитель должен хорошо понимать, что представляют собой грунты, каковы их особенности по сравнению с другими конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т.п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грунтовых оснований.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводиться, или материала для сооружения. Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

Под составом подразумевают перечень минералов, составляющих породу. Структура — это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Текстура — пространственное расположение элементов грунта, определяющее его строение.

Термин «грунт» широко применяют в строительстве, заменяя более широкий термин «горная порода», которая используется в геологии, географии, горном и геолого-разведочном деле. В инженерной геологии термин «горная порода» применяется при описании геологической среды за пределами основания и на допроектных стадиях исследований.

Горная порода, а следовательно, и грунт представляют собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность. Это имеет исключительно большое значение для строительства. Действительно, совокупностей минералов может быть много. Закономерно построенных совокупностей горных пород в природе выделяется большое, но ограниченное количество. Инженерная геология изучает закономерности образования и свойства горных пород как грунтов. Наличие в природе однотипных грунтов, широко распространенных в разных частях Земли, служит основанием для разработки стандартных приемов строительства и применения типовых конструкций фундаментов. Так. Существование слабых водонасыщенных грунтов — илов — уже в древности привело к идее устройства фундаментов; особые свойства не менее широко распространенного лессового грунта потребовали разработки специальных способов строительства и т.п. В связи с этим, прежде чем рассматривать методы расчета и проектирования оснований и фундаментов, необходимо изучить основные типы грунтов, их физические свойства, особенности строения оснований.

Закономерности состава и строения грунтов теснейшим образом связаны с условиями их происхождения. В инженерной геологии происхождение грунтов детально изучено в разных условий. Происхождение положено в основу классификации грунтов (ГОСТ 25100-82).

Все грунты разделяются на естественные — магматические, осадочные, метаморфические — и искусственные — уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов магмы в верхних слоях земной коры (интрузивные, или глубинные, породы-граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузивные, или излившиеся, — бальзаты, порфиры и др.)

Осадочные горные породы образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от степени упрочнения различают сцементированные (песчинки, доломиты, алевролиты и т.п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лессы, илы, торфы, почвы и т.п.).

Метаморфические горные породы образуются в недрах из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метаморфические горные породы — сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

Горные породы метаморфического, магматического происхождения и сцементированные осадочные породы обладают жесткими связями между частицами и агрегатами и относятся к классу скальных грунтов. Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к классу нескальных грунтов.

В самых верхних слоях земной коры, называемых зоной современного выветривания. Под влиянием колебаний температуры, изменения состояния и химического состава воды, газов, деятельности растительных и животных организмов и т.п. развиваются процессы выветривания — физического, химического. Органического разрушения минералов и горных пород. Продукты разрушения верхних зон коры выветривания могут перемещаться водой или воздухом, переносится на большие расстояния и вновь откладываться на новых территориях. Различие условий происхождения и дальнейшего изменения являются причиной разнообразия строения, состава, состояния и условий залегания грунтов в верхних слоях земной коры.

К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные материалами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т.п.). К классу нескальных искусственных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в природном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые промышленные отходы (шлаки, золы и т.п.).

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии — грунтоведения.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонентов: твердой, жидкой, газообразной.

Иногда в грунте выделяют биоту — живое существо. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бактерий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, и мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему. Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействии, которое активизируется в результате строительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооружений, т.е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух и даже одной компоненты.

Например: в зоне вечной мерзлоты в составе грунта может встретится твердая и газообразная компоненты либо только твердая, если все пространство между частицами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют «грунтовой массой». Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры. При внешних воздействиях, например, от строительства и эксплуатации зданий, однокомпонентная система грунта может переходить в двухкомпонентную, а двухкомпонентная — в трехкомпонентную. При этом, как правило, ухудшаются свойства грунта.

Было бы сравнительно просто решать задачи фундаментостроения, если бы грунт можно было рассматривать как механическую систему, состоящую из твердого. Жидкого и газообразного веществ с фиксированными независимыми свойствами каждой компоненты. В действительности дело обстоит сложнее. На свойства грунта, как системы, значительное влияние оказывает минеральный и химический состав вещества, наличие биологически активной составляющей. Химические. Физические, физико-химические и биологические процессы в грунтах протекают в сложном взаимодействии, сливаясь в единый геологический процесс, который изменяет свойства грунта во времени до строительства, при строительстве и впоследствии при эксплуатации сооружений.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами. Часть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Очевидно, что грунты. Полностью сложенные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метаморфических часть осадочных. Среди осадочных пород этими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующие из них при цементации песчинки и конгломераты.

Большое влияние на свойства грунтов оказывают растворимые в воде минералы. К ним относятся галит NCl, гипс CaSO4 2H2O, кальцит CaCO3 некоторые другие. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены растворимыми минералами.

Глинистые минералы составляют третью группу. Они нерастворимы в воде в отличии от минералов предыдущей группы, но их никак нельзя приравнять к инертным минералам первой группы. В силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним относятся каолинит. Монтмориллонит, иллит, и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности. Из-за мельчайших размеров и высокоразвитой поверхности глинистые минералы активно взаимодействуют с жидкой составляющей грунтов. Поэтому уже малое содержание их в общей массе грунта резко изменяет его свойства.

Органическое вещество в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а в глубоких горизонтах — в виде нефти. Бурого и каменного угля. Повсеместно на равнинных площадях с поверхности залегает почва, которая содержит 0,5…5% органических соединений. Коллоидная активность гумуса выше, чем даже глинистых минералов.

Жидкая составляющая грунтов. Кристализационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.

Вода, заполняющая поры («поровая вода»), может растворять содержащиеся в ней соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации.

Свободная вода в грунте подчиняется законам гидравлики. Она передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную. Практически вся вода, содержащаяся в трещиноватых скальных породах, крупнообломочных, гравелистых и крупных песках, относится к гравитационной. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно пылеватых песках и глинистых грунтах.

Сложное и разнообразное взаимодействие твердых частиц грунта с водой очень сильно влияет на свойства грунта. Например. замерзание пылевато-глинистых грунтов происходит постепенно при понижении отрицательной температуры: сначала в лед переходит свободная вода, затем периферийные и, наконец, более глубокие слои рыхлосвязанной воды. Фильтрация свободной воды в грунте возникает сразу же после появления разности напоров. Однако для перемещения слоев даже рыхлозвязанной воды требуется приложение тем больших силовых воздействий, чем ближе эти слои находятся к поверхности частиц. В то же время, если по каким либо причинам. Например из-за перепада температур в зоне замерзания грунта, соседние частицы будут иметь разные по толщине слои связанной воды. Возможно возникновение миграции — перемещение связанной воды из более толстых пленок в более тонкие. Если зона замерзания грунта соединена капиллярной водой с уровнем подземных вод, то объем воды, подтягиваемой в зону замерзания, может быть весьма значительным. Здесь важно отметить. Что знание физико-химических особенностей взаимодействия твердых частиц с водой в грунте позволяет не только объяснить многие важные для практики строительства инженерные мероприятия.

Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газов в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже — азоном, метаном, сероводородом и другими газами. Необходимо подчеркнуть, что метан, сероводород, угарный газ ядовиты, и могут содержаться в грунте в концентрациях, опасных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках. Интенсивность газообмена между атмосферой и грунтом зависит от состава и состояния грунта и повышается с увеличением содержания и размеров трещин, пустот, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.

Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на незащемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится то или иное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

Наблюдения показывают, что при подтоплении территории (повышении уровня подземных вод) в обводненном грунте на многие годы, если не на десятилетия, задерживается защемленный газ. Э то имеет большое значение, в частности при сейсмическом микрорайонировании. На обводненных грунтах сейсмическая бальность выше. Защемленный воздух поднимает ее дополнительно, так как снижает скорость прохождения сейсмических волн.

Итак, грунт состоит из твердой, жидкой и газообразной компонент. В каждой из трех компонент чаще в малом и незначительном, а иногда и в существенном количестве содержатся микроорганизмы. Из всех составляющих грунта наиболее стабильной является твердая компонента. Жидкая вода при отрицательных температурах переходит в твердое состояние (лед), может истекать, испаряться. Газ при перемене условий растворяется, вытесняется жидкостью или другими газами. Очевидно, что свойства грунтов зависят от состава, состояния и взаимодействия слагающих его компонент.

1.3 Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует как бы каркас, скелет грунта. Поровая вода и газ как сплошная среда располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Угловатая форма характерна для мельчайших кристаллов, которые не округляются при соударениях из-за их исключительно малой массы и значительной прочности. Среди крупных обломков выделяются угловые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий). Природные грунты состоят из совокупности частиц разного размера. Пожалуй, только морские отложения бывают хорошо отсортированы: на песчаном морском пляже не встречаются ни крупнообломочные. Ни пылевато-глинистые частицы. Речные пески значительно менее отсортированы. Здесь можно встретить не только песчаные, но и пылевато-глинистые частицы. Речные пески значительно менее отсортированы. Здесь можно встретить не только песчаные, но и пылевато-глинистые частицы. Еще более неоднородны грунты другого образования.

В зависимости от соотношения в грунте частиц того или иного размера они разделяются на три группы: крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые грунты.

1.4 Структурные связи между частицами грунта

Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называются структурными связями. По своей природе и по прочности они различны. Из-за высокой прочности самих частиц именно связи между частицами определяют деформируемость и прочность грунтов. Громадное значение имеет то. что некоторые типы связей легко разрушаются при различных воздействиях на грунты в ходе строительства и эксплуатации сооружений. Вопрос о природе связей. Способах их сохранения и упрочнения является важнейшим вопросом грунтоведения.

Образование структурных связей — длительный процесс, развивающийся на протяжении всей истории формирования и видоизменения горной породы. Скальным грунтам присущи жесткие кристализационные связи, энергия которых соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов. Поэтому блоки слаботрещиноватых скальных пород обладают очень высокой прочностью и малой деформируемостью. При разрушении кристаллизационные связи не восстанавливаются — блоки породы расчленяются трещинами на отдельные куски. Снижение прочности и увеличении деформируемости скальных грунтов в условиях естественного залегания обусловлено прежде всего их трещиноватостью.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины); к сыпучим — крупнообломочные и песчаные грунты.

Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряжения, поэтому в ним возможно существование вертикальных откосов небольшой высоты. Сыпучие грунты растягивающих напряжений не воспринимают, и создание в них вертикальных откосов без укрепления невозможно.

Структурные связи в глинистых грунтах имеют значительно более сложную природу и определяются электромолекулярными силами взаимного притяжения и отталкивания между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Такие связи называются в одно-коллоидными. Они обуславливают связность глинистых грунтов. Интенсивность этих связей зависит от расстояния между частицами, зарядов на их поверхности, состава и содержания ионов в поровой воде.

В слабоуплотненных водных осадках глинистых грунтов при большом расстоянии между частицами и при наличии свободной воды из-за сил молекулярного притяжения между твердыми телами-частицами возникают слабые структурные связи. Уплотнение грунта приводит к сближению частиц и усилению этих связей. При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами начинают проявляться отталкивающие силы воды: интенсивность увеличения прочности связей уменьшается, и дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий.

В осадочных нескальных грунтах с течением времени под влиянием уплотнения от массы перекрывающей их толщи могут произойти процессы удаления избыточной воды, кристаллизации коллоидных и химических осажденных веществ, сопровождающиеся резким усилением цементационных связей и литификаций (окаменением) грунтов. При этом они переходят в осадочные скальные грунты: крупнообломочные — в конгломераты, брекчии; песчаные — в песчинки; пылевато-глинистые — в алевролиты и аргиллиты.

2. Физические характеристики, классификация грунтов, строение оснований

2.1 Основные физические характеристики грунтов

Значение характеристик. Оценка каждой конкретной разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Разнообразие состава, строения и состояния грунтов делает неизбежным введение значительного числа таких характеристик. Некоторые из них непосредственно применяются в расчетах оснований и грунтовых сооружений, совокупность ряда характеристик используется для классификации грунтов.

Количественные показатели одних характеристик всегда определяются опытами, чаще всего с образцами грунта, других — расчетом по значениям определенных опытом показателей. Соответствие полученных таким образом характеристик состоянию грунта, залегающего в основании или составляющего тело сооружения, является одним из важнейших условий точности инженерных прогнозов. Поэтому отбор образцов для определения характеристик исследуемого грунта, упаковка и транспортировка образцов производится так, чтобы полностью сохранить состояние грунта в естественных условиях залегания или в теле грунтового сооружения.

Характеристики плотности, влажности и пористости грунта:

Плотность грунта — отношение массы грунта к его объему:

Влажность грунта — отношение массы воды к массе твердых частиц, выражаемое в долях единицы, иногда в процентах:

w = m2/m1 = (M — m1) /m1

Плотность частиц грунта определяется как отношение массы твердых частиц грунта к их объему: с = m1/V1

2.2 Классификация грунтов

Все грунты по характеру структурных связей подразделяются на два класса: скальные и нескальные грунты. В пределах каждого класса грунты разделяются на группы по происхождению (магматические, метаморфические. Осадочные сцементированные, искусственные — для скальных грунтов; осадочные несцементированные и искусственные — для нескальных грунтов). Каждая группа подразделяется по условиям образования на подгруппы. Например, магматические грунты разделяются на глубинные и илившиеся; осадочные сцементированные — на обломочные, биохимические и химические. Среди несцементированных грунтов выделяются крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, биогенные, почвы и т.п. Дальнейшее подразделение производится по преобладающему минеральному составу и размеру частиц грунта, по степени его неоднородности, числу пластичности — на типы грунтов: (например, песок гравелистый, песок крупный и т.п. — для песчаных грунтов; супесь, суглинок, глина — для глинистых грунтов и т.п.). В пределах каждого типа по структуре и текстуре, а иногда по составу примесей грунты разделяются на виды (например, для песка крупного — плотный, средней плотности, рыхлый; для супеси, суглинка и глины — щебенистые, дресвяные, без примеси органики, с примесью органики и т.д.). И наконец. В пределах каждого вида по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию выделяются разновидности грунтов (например, песок крупный, влажный или насыщенный водой, засоленный и т.п.; суглинок щебенистый, тугопластичный и т.п.).

Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности производится с помощью рассмотренных характеристик грунтов. Во многих случаях обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его строительных свойств, используемые в предварительных расчетах. В хорошо изученных районах найденные путем классификации показатели часто оказываются достаточными для окончательных расчетов и проектирования простых сооружений.

Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100-82. Классификация первых двух групп грунтов приведена в табл.1.

Таблица 1. Типы крупнообломочных и песчаных грунтов.

Содержание частиц крупнее характерного размера, % по массе

Источник